Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

SYNCHROTRONSTRAHLUNGEINE STUDIE DES KOMITEES FÜR FORSCHUNG MIT SYNCHROTRONSTRAHLUNG 2009Forschung mit Synchrotronstrahlungin DeutschlandStatus und Perspektiven

Einleitung 3Visions and recommendations 4Visionen und Empfehlungen 5Randbedingungen 6Der internationale Kontext 9Synchrotronstrahlung – Lichtquelle mit fast unerschöpflichem Potential 10MaterialwissenschaftenWerkstoffe der Zukunft erforschen 12Mit Synchrotronstrahlung zu besseren Katalysatoren 13NanowissenschaftenEinsichten in den Nanokosmos 14SMART auf Oberflächen geschaut 15LebenswissenschaftenDen Molekülen des Lebens auf der Spur 16Blicke in die Motoren des Lebens 17KulturwissenschaftenAltes in neuem Licht 18Die Himmelsscheibe von Nebra 19UmweltwissenschaftenSpürnasen für die Umwelt 20Analyse radioaktiver Sedimente 21GeowissenschaftenEinblicke ins Erdinnere 22Unerwartete Spins im Erdinneren 23Struktur und Eigenschaften der kondensierten MaterieFestkörper und weiche Materie ergründen 24Ultraschelle Entmagnetisierung 25Atome, Moleküle, Cluster und freie NanoteilchenEinfaches untersuchen, um Komplexes zu verstehen 26Elektronenpaare in Quantenfernbeziehungen 27Physik und Chemie an OberflächenMit Synchrotronstrahlungen an Grenzen gehen 28Probleme der organischen Schichtarbeit 29Materie unter extremen BedingungenMehrfach-extreme Bedingungen erforschen 30Supraleiter unter Druck 31Methoden, Instrumente und StandardsMethodische Möglichkeiten voll ausnutzen 32Blitzaufnahmen bei FLASH 33Freie-Elektronen-LaserBereit für die Revolution 34Weltraumchemie im Labor untersucht 35Industrielle AnwendungenMit brillanten Einsichten zum industriellen Erfolg 36Synchrotronstrahlung überwacht Schlankheitskur 37BESSY IIam Helmholtz-Zentrum Berlin 38DORIS III und PETRA IIIam Helmholtz-Zentrum DESY in Hamburg 40ANKAam Forschungszentrum Karlsruhe 42FLASH und FLASH IIam Helmholtz-Zentrum DESY in Hamburg 44European XFELin Hamburg und Schenefeld 46ESRFin Grenoble – das Flaggschiff der europäischen Forschungmit Synchrotronstrahlung 48Die Rossendorf-Beamline an der ESRF in Grenoble 50DELTA an der Technischen Universität Dortmund 51Ausführliche Empfehlungen 52Autorenverzeichnis 582

EinleitungMit dieser Broschüre legt das Komitee für Forschung mitSynchrotronstrahlung in Deutschland (KFS) Empfehlungen fürzukünftige Entwicklungen der Nutzung von Synchrotronstrahlungvor. Synchrotronstrahlung bereichert aufgrund ihrer ganzbesonderen Eigenschaften viele wissenschaftliche Disziplinenum äußerst attraktive Messmethoden. Die Forschung mit dieserStrahlung wird von etwa 3.000 deutschen Wissenschaftlernregelmäßig betrieben und besitzt ein anhaltendes Wachstumspotential.Im Jahr 2001 hat das damalige KFS erstmals solche Empfehlungenvorgelegt, in die die Erfahrungen und Bedürfnisseder deutschen Nutzer von Synchrotronstrahlung eingeflossensind. Die damaligen Empfehlungen des KFS beruhten auf dengerade erkennbaren neuen Möglichkeiten von Freie-Elektronen-Lasern und dem explodierenden Bedarf an hochbrillanter Röntgenstrahlung.Ein knappes Jahrzehnt später ist erkennbar, dass einigeGroßprojekte wie der Bau von Freie-Elektronen-Lasern für ultravioletteund für harte Röntgenstrahlung, sowie der Ausbaueines früheren Beschleunigerrings zu einem Labor für hochbrillanteSynchrotronstrahlung in Hamburg mit wesentlicherUnterstützung des BMBF gut auf den Weg gebracht bzw. umgesetztworden sind. Weiterhin besteht das sehr erfolgreichedeutsche Engagement an der europäischen Synchrotronstrahlungsquellein Grenoble. Die große Erfahrung aus einer Projektstudiean der Berliner Synchrotronstrahlungsquelle istinzwischen in das vom BMBF geförderte Projekt für eine weitereultraviolette Photonenquelle eingeflossen. Das sind große Erfolgeund Meilensteine für die Entwicklung der Forschung mitSynchrotronstrahlung in Deutschland. Dank des deutlichen Zuwachsesan Fördermitteln aus der Verbundforschung sind eineVielzahl von Universitätsgruppen an der Instrumentierung undMethodenentwicklung an deutschen Synchrotronstrahlungsquellenund am Freie-Elektronen-Laser in Hamburg beteiligtund tragen ganz wesentlich zu einer dynamischen Entwicklungder Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland bei.Erste spektakuläre Ergebnisse demonstrieren das enorme Potentialder Freie-Elektronen-Laser, bei denen Deutschland gegenwärtigeine weltweit führende Rolle innehat. An denexistierenden Ringquellen in Berlin, Hamburg, Karlsruhe undDortmund werden neue Anwendungsgebiete der Synchrotronstrahlungin den Nanowissenschaften, der Materialforschungund den Lebenswissenschaften erschlossen sowie neue Generationenvon jungen Wissenschaftlern und Technikern ausgebildet.In dieser Broschüre werden einige herausragendeBeispiele der Forschung mit Synchrotronstrahlung und diewichtigsten Forschungsrichtungen, an denen deutsche Forscherexperimentieren, vorgestellt.Inzwischen hat sich die wissenschaftliche Landschaft durchneue nationale Synchrotronstrahlungsquellen in Europa starkverändert. Neben Deutschland haben Länder wie Frankreich,Großbritannien und Spanien eigene nationale Strahlungslaborsaufgebaut bzw. mit deren Aufbau begonnen. Die SchweizerQuelle in Villingen hat inzwischen eine Qualität erreicht, die dasWeltniveau in ausgewählten Fachgebieten bestimmt. Das europäischeFlaggschiff der Forschung mit Synchrotronstrahlung,die ESRF, hat gerade ihr sehr ambitioniertes Erweiterungsprogrammbegonnen, zu dem auch Deutschland beiträgt. Das stelltdie Strategie hierzulande vor völlig neue Herausforderungen.In dieser Broschüre will das KFS dazu Stellung beziehen und vordiesem Hintergrund Empfehlungen für die weitere Entwicklungder Forschung mit Photonen in Deutschland aussprechen. DasZiel ist es, weiterhin Forschung auf höchstem internationalenNiveau zu ermöglichen und sicherzustellen, dass Deutschlandauch in Zukunft seine führende Rolle auf dem Gebiet der wissenschaftlichenNutzung der Synchrotronstrahlung beibehält.3

Visions and recommendationsFuture lines of development in research with synchrotron radiation and free-electron lasers are based on the following visions:1. Improve the understanding of biomolecular structure and dynamics – from single molecules to entire cells –for better health and biotechnology2. Develop new materials for the environmental, energy, transportation, and information technologies3. Follow chemical reactions in real time and understand their molecular structure and reaction principles4. Strengthen Germany’s leading role in the development of time resolving and tunable photon sources, with energiesup to the X-ray range5. Provide optimum instrumentation and infrastructure to promote outstanding research and to open up new research areasThe realization of these visions needs to take the following steps:1. Further development of ring sources• Increase of the capacity of PETRA III• Improvement of the source and beamlines at BESSY II• Implementation of a full-energy injector and extension of instrumentation at ANKA• Full support of the upgrade program at ESRF2. Further development of Free-Electron Lasers• Construction of FLASH II• Realisation of the full version of the European XFEL3. Development of X-ray sources for the future• Construction of prototype energy recovery linac „BERLinPro“ as a foundation for a future user facility4. Required infrastructure activities• Provision of optimum sample environment and integration of on-site equipment for sample preparation andsample characterization5. New development of optical elements and detectors for advanced time- and spatial resolution6. Extension of Verbundforschung as a subject oriented instrument for promotion of research• Development of subject oriented platforms of research at German research centers in co-operation with users,if necessary at sources abroad7. User support at international level• Implementation of ESRF-standards at German user facilitiesDetailed recommendations see page 524 Synchrotronstrahlung 2009

Visionen und EmpfehlungenDie zukünftigen Entwicklungslinien der Forschung mit Synchrotronstrahlung und Freie-Elektronen-Lasern basiert auf den folgendenVISIONEN. Es wird darauf ankommen, ...1. ein besseres Verständnis der Struktur und Dynamik von Biomolekülen – vom einzelnen Molekül bis zur ganzen Zelle –für die Erfordernisse der Gesundheitsforschung und Biotechnologie zu erzielen,2. neue Materialien für die Umwelt-, Energie-, Verkehrs-, und Informationstechnik zu entwickeln und technischumzusetzen,3. chemische Reaktionen in Echtzeit zu beobachten und zu verstehen sowie deren Struktur- und Funktionsprinzipienzu erforschen,4. die weltweit führende Rolle bei der Entwicklung zeitauflösender und durchstimmbarer Strahlungsquellen bis in denRöntgenbereich zu erhalten und zu stärken,5. die optimale Instrumentierung und Infrastruktur zur Förderung herausragender Forschung und zur Erschließung neuerWissenschaftsfelder bereitzustellen.Zur Umsetzung der Visionen sind folgende Schritte notwendig:1. Weiterentwicklung der Ringquellen• Ausbau der Kapazität von PETRA III• Verbesserung der Quelle und der Experimentiereinrichtungen bei BESSY II• Implementierung eines Full-Energy-Injektors und Ausbau der Instrumentierung für ANKA• Unterstützung des Erweiterungsprogramms der ESRF2. Weiterentwicklung von Freie-Elektronen-Lasern• Aufbau von FLASH II• Vollausbau des European XFEL3. Entwicklung von Strahlungsquellen für die Zukunft• Bau des Prototyps eines Energy-Recovery-Linacs „BERLinPro“ als Grundlage für eine künftige Nutzerquelle4. Notwendige Infrastrukturmaßnahmen• Schaffung von optimierten Probenumgebungenund integrierten Präparations- und Charakterisierungseinrichtungen5. Neuentwicklung von optischen Elementen sowie Detektoren für höhere Zeit- und Ortauflösung6. Ausbau der Verbundforschung zu einem themenorientierten Förderinstrument• Schaffung von thematischen Forschungsplattformen an den Zentren unter aktiver Mitwirkung der Nutzer,ggf. auch an anderen Quellen im Ausland7. Qualität der Nutzerbetreuung auf internationalem Niveau• Implementierung der ESRF-Standards an allen deutschen QuellenAusführliche Empfehlungen ab Seite 52Synchrotronstrahlung 2009 5

RandbedingungenIn Deutschland werden ringgetriebene Quellen für harteRöntgenstrahlung in Hamburg (DORIS III) und Karlsruhe(ANKA) betrieben. Deutschland ist außerdem zu 25,5 % amFlaggschiff der europäischen Synchrotronstrahlungsquellen,der ESRF, beteiligt.BESSY II in Berlin ist die führende europäische Quelle derdritten Generation vom Infrarotbereich (THz) bis zur weichenRöntgenstrahlung. Die neue deutsche Quelle der drittenGeneration für harte Röntgenstrahlung, PETRA III, wirdgerade bei DESY aufgebaut, 2009 in Betrieb gehen und in einigenParametern die Leistungsfähigkeit der ESRF erreichen bzw.übertreffen.Deutschland ist weltweit führend auf dem Gebiet der Entwicklungund des Betriebs von Freie-Elektronen-Lasern im Ultraviolettenund im Röntgenbereich. FLASH in Hamburg ist die derzeiteinzige europäische Nutzereinrichtung, die ultrakurze Pulse imextremen Ultraviolett (XUV) und im weichen Röntgenbereichmit extrem hoher Brillanz liefert. Unterstützt durch die Einrichtungeines BMBF-Forschungsschwerpunkts werden hierPionierexperimente in einer ganzen Reihe von Wissenschaftsfeldernunter maßgeblicher Beteiligung deutscher Gruppendurchgeführt. Im harten Röntgenbereich trägt Deutschland miteinem Anteil von 50 % federführend zum European XFEL bei,dessen Bau im Januar 2009 begonnen wurde und der 2014 inBetrieb gehen wird.Eine Bewertung deutscher Synchrotronstrahlungsquellenim Jahr 2008 ist nur vor dem Hintergrund der weltweitenEntwicklung sinnvoll. Seit der Studie des KFS im Jahr 2001 hatsich schon alleine die europäische Landschaft der Synchrotronstrahlungsquellengrundlegend geändert. Mit der SLS inVillingen (Schweiz), SOLEIL in Paris (Frankreich), ELETTRA inTriest (Italien) und DIAMOND in Oxfordshire (Großbritannien)wurde das Angebot an Synchrotronstrahlungsquellen derdritten Generation nachhaltig erweitert. Weitere Quellenin Barcelona (ALBA) und in Lund (MaxLab IV) sind im Bau bzw.in einem vorgerückten Stadium der Planung. Die bereitsgenutzten Quellen SLS, SOLEIL und DIAMOND, die bei einer Elektronenenergievon ca. 2,5 GeV betrieben werden, wurden mitder modernsten verfügbaren Technologie gebaut und stellenMessplätze mit höchstem Qualitätsanspruch bereit. Trotz derüberwiegend nationalen Bestimmung wird der Zugang für europäischeNutzer zu diesen Quellen üblicherweise über das europäische„Access-Program for Large Facilities“ (IntegratedInfrastructure Initiative) ermöglicht.6Synchrotronstrahlung 2009

Auch in den USA, Russland und in Japan wird an der Entwicklungneuer Quellen für Synchrotronstrahlung gearbeitet.Neben sogenannten Table-Top-Quellen, die ihren Markt vorallem in der Medizin vermuten, wird das Konzept eines Energy-Recovery-Linacs erforscht, wobei man sich erhofft, die exzellentenBrillanzeigenschaften eines Linearbeschleunigers aufRingquellen für den parallelen Betrieb vieler Messstationenzu übertragen.Ein weiterer Trend in vielen Bereichen der Forschung mitPhotonen ist die zunehmende Spezialisierung der Probenumgebungenzur Durchführung komplexer Experimente untermöglichst kontrollierten Bedingungen. Ein Beispiel dafür sindrobotische Lösungen für den Probenwechsel oder Kristallzuchteinrichtungendirekt an der Strahlführung für die Proteinkristallographie.Hochvakuumkammern für die OberflächenoderHalbleiterphysik, Hochdruckpressen für die Geologie oderspeziell große Diffraktometer für die Materialwissenschaft könnennicht einfach vom Nutzer für ein mehrtägiges Experimentmitgebracht werden, sondern müssen vor Ort verbleiben unddort auch von sachkundigem Personal betreut und gewartetwerden. Ähnliches gilt für Kühleinrichtungen und Vorbereitungslaborsin der Biologie. Diese Entwicklung ist vor allem injenen Gebieten zu beobachten, in denen die Synchrotronmethodikso ausgereift ist, dass Investitionen in teure Probenumgebungengerechtfertigt sind. Dieser Fortschritt geht Hand inHand mit der Weiterentwicklung der Nutzungsmöglichkeitenvon Photonen, bei der zurzeit vor allem die Möglichkeiten derPhasenkohärenz und der extremen Zeitauflösung modernerQuellen im Vordergrund stehen. Einen speziellen Platz nimmthier der Freie-Elektronen-Laser FLASH ein, dessen enorme Möglichkeitenfür die Forschung mit Photonen gerade entwickeltwerden.Synchrotronstrahlung 20097

Aus den genannten Randbedingungen erwachsen neueHerausforderungen für die Nutzung von Synchrotronstrahlungan Großforschungszentren:• Diversifizierung der Synchrotronstrahlungsquellen inEuropa und des damit verbundenen Zugangs für deutscheNutzer• Diversifizierung der Anforderungen an Quelle und Strahlführungje nach Wissenschaftsgebiet• Notwendigkeit stärkerer Investitionen in spezialisierteoptische Elemente und Detektoren• Notwendigkeit der Betreuung zunehmend „synchrotronunerfahrener“Nutzer, welche neben Routinemessverfahren gelegentlichauch kompliziertere Experimente mit komplexerProbenumgebung durchführen wollen.• Notwendigkeit der Investition in sehr spezialisierte(und damit teure) Probenumgebungen in bestimmten Wissenschaftsbereichen,in denen die Forschung mit Photonenein zentraler Bestandteil des wissenschaftlich-technischenArsenals ist.• Methodische und appararative Weiterentwicklung derForschung mit Photonen zur Nutzung von Kohärenz, Zeitauflösung,Brillanz und anderer hervorragender Eigenschaften vonSynchrotron- und Freie-Elektronen-Laser-Strahlung.Aus Sicht des KFS ist die Einrichtung thematischer Forschungsplattformendie beste Antwort auf diese Herausforderungen.Diese Plattformen sind nicht auf den Betrieb einerStrahlführung konzentriert, sondern gruppieren sich um einwissenschaftliches Thema, welches den Betrieb mehrererStrahlführungen, der damit verbundenen (teilweise sehr komplexen)Probenumgebungen sowie geeigneter Labors umfasst.Diese thematischen Forschungsplattformen gewinnen durchdie in den Synchrotroneinrichtungen betriebene Eigenforschungund dem daraus resultierenden Know-how zusätzlichan Gewicht und werden auch wenig geübte Nutzer anziehen.8Synchrotronstrahlung 2009

Der internationale KontextDie europäische Forschung mit Synchrotronstrahlung istsehr breit aufgestellt mit leistungsfähigen Maschinen im Niedrigenergiebereich(MAX-LAB, ELETTRA), Mittelenergiebereich(ALBA, ANKA, BESSY II, Diamond, DORIS III, SOLEIL, SLS) undHochenergiebereich (ESRF, PETRA III). Die genannten Quellenwerden bis auf die ESRF in nationaler Trägerschaft betriebenund befriedigen insbesondere den jeweiligen nationalen Bedarfan Synchrotronstrahlung. Die Mehrzahl der Maschinen decktdaher ein breites, zum großen Teil überlappendes Spektrum anAnwendungen der Synchrotronstrahlung ab. Die wachsendeZahl an Quellen und Strahlführungen hat dennoch nicht zueiner verminderten Nachfrage nach Strahlzeit an den einzelnenQuellen geführt. Da der steigende Bedarf an Synchrotronstrahlungdurch die vorhandenen und geplanten Quellen immernoch nicht abgedeckt wird, bleibt der Überbuchungsgrad anallen Quellen weiterhin hoch.Allgemein wird erwartet, dass die zunehmende Zahl vonStrahlführungen mit ähnlichen Kennzahlen zu einer Spezialisierungder Messplätze insbesondere im Hinblick auf optimierteProbenumgebungen und unterstützende Laboratorien vor Ortführen wird. Der damit verbundene erhebliche finanzielle Aufwandwird der Entwicklung zu thematischen Forschungsplattformenan den einzelnen Quellen Vorschub leisten, die nebender Grundversorgung der Nutzer mit Standardmessplätzen zueiner optimierten Bereitstellung von spezialisierten Messplätzenmit höchster Leistung führt. Aus der Sicht der Nutzer ist esdringend erforderlich, den Zugang zu diesen hochspezialisiertenMessplätzen europaweit und international zu öffnen, danationale Nutzergemeinden einzelner Länder in vielen Fällen zuklein sein werden, um den Bau und Betrieb derart spezialisierterStrahlführungen zu rechtfertigen. Als Beispiel für einenoptimierten Betrieb kann die Organisation der Nutzung der einzigeneuropäischen Quelle ESRF dienen. Hier hat eine breiteNutzergemeinschaft aus ganz Europa in einem gut eingespieltenAntragsverfahren Zugang zu hochspezialisierten Messplätzen.Dieses erfolgreiche Konzept hat dazu geführt, dasseuropäische Gruppen in vielen Gebieten der Forschung mitSynchrotronstrahlung weltweit die Spitzenstellung einnehmen.Ein illustratives Beispiel dafür sind Experimente der resonantenKernstreuung. Diese werden in Europa ausschließlich an derESRF betrieben, weil dort die dafür besten Strahlbedingungenzur Verfügung stehen. Deutsche Wissenschaftler nutzen nahezu50 % der bereitgestellten Messzeit. Aus Sicht der Forscher istdie Einrichtung entsprechender Verfahren zur Nutzung solchspezialisierter Experimentierplätze auch an den nationalenQuellen unbedingt erforderlich. Derartige Verfahren begünstigenneben der Bildung international führender und länderübergreifenderForschungscluster auch an nationalen Quellendie weitere Vernetzung von Forschungsaktivitäten auf europäischerEbene unter effizienter Nutzung der zur Verfügungstehenden Finanzmittel.Auf dem Gebiet der Freie-Elektronen-Laser ist die Dynamikder Entwicklung und damit auch die Konkurrenzsituation weltweitextrem hoch. Bei SPring-8 in Japan ist im letzten Jahr einFreie-Elektronen-Laser für den ultravioletten Spektralbereich inBetrieb gegangen; ein Freie-Elektronen-Laser für den hartenSpektralbereich befindet sich im Aufbau und soll 2011 ersteErgebnisse liefern. In den USA wird die Linear CoherentLight Source (LCLS) in Stanford in diesem Jahr zunächst mitweicher Röntgenstrahlung starten und ab 2010 ebenfalls harteRöntgenstrahlung liefern. Darüber hinaus wird am LawrenceBerkeley National Laboratory an einem Konzept für eine Freie-Elektronen-Laserquelle für mehrere gleichzeitige Nutzer im weichenRöntgenbereich gearbeitet und an der Cornell Universitätwird ein Energy-Recovery-Linac für den harten Spektralbereichentwickelt.In Europa wird bei ELETTRA mit dem FERMI-Projekt einFreie-Elektronen-Laser für ultraviolette Strahlung gebaut. Überlegungenfür weitere nationale Quellen gibt es in Schweden(MAX IV), in Frankreich (ARC-EN-CIEL), in Großbritannien (NewLight Source) und in der Schweiz (PSI-FEL). In Russland wird aneinem alternativen Konzept für einen Energy-Recovery-Linacgearbeitet.Vor diesem Hintergrund ist es sehr wichtig, dass Deutschlandseine führende Stellung auf dem Gebiet der Entwicklungund Nutzung von Strahlungsquellen, die eine hohe Zeitauflösungerlauben und gleichzeitig bis in den Röntgenbereichdurchstimmbar sind, mit Projekten wie FLASH II, dem Vollausbaudes European XFEL sowie BERLinPro ausbaut.Synchrotronstrahlung 20099

Synchrotronstrahlung –mit fast unerschöpflichem PotentialSynchrotronstrahlung ermöglicht Einblicke in die belebteund unbelebte Welt von nicht gekannter Präzision. Insbesondereder extrem große Spektralbereich vom Infraroten bishin zu energiereicher Röntgenstrahlung und die untersuchbarenZeitskalen machen Synchrotronstrahlung zu einem unerlässlichenWerkzeug für die moderne Wissenschaftslandschaft.Die Forschung mit Synchrotronstrahlung ergänzt dabeiandere Techniken an Großlaboren (wie z. B. die Neutronenstreuung)und konventionelle Labormethoden (wie z. B. die Laserspektroskopie).Die Strahlung moderner Quellen ermöglicht vielfältige,interdisziplinär angesiedelte Anwendungen, die von einerbreiten Nutzerschaft durchgeführt werden. Die Forschungsbereiche,die heutzutage von der Synchrotronstrahlung profitieren,erstrecken sich von der Physik über die Chemie,Materialforschung, Geo- und Umweltwissenschaften bis zuden Lebenswissenschaften Biologie und Medizin. Weltweitwird heute beispielsweise die weit überwiegende Anzahlvon Proteinstrukturen mit Hilfe von Synchrotronstrahlungentschlüsselt. Der in diesem Bereich gestiegene Bedarf nachExperimenten spiegelt sich in den weltweit neu aufgebautenSynchrotronstrahlungsquellen wider. Darüber hinaus istder Wunsch nach hochwertiger Strahlung vor allem hinsichtlichEnergie- und Ortsauflösung, Intensität, Brillanz,Polarisationsvariation und Zeitauflösung beständig gewachsen.Die stetig ansteigenden Nutzerzahlen unterstreichen dieNotwendigkeit und die Vorteile hochbrillanter Synchrotronstrahlung.Auf den Seiten 12 bis 37 dieser Broschüre wird anhand vonEinblicken in verschiedene Wissenschaftsdisziplinen die Bedeutungder Forschung mit Synchrotronstrahlung unterstrichenund deren mittelfristige Entwicklungen in den jeweiligenForschungsfeldern diskutiert. Beispiele aus Forschungsarbeiten,die in führenden Wissenschaftsjournalen veröffentlicht wurden,beschreiben Ergebnisse zu aktuellen Forschungsthemen.Allerdings kann hier nur ein kleiner Ausschnitt aus der spannendenForschung wiedergegeben werden.Moderne beschleunigerbasierte StrahlungsquellenWird die Bahn von Elektronen durch ein Magnetfeld gekrümmt,so senden die Teilchen elektromagnetische Strahlungaus. Je nach Energie der Elektronen und der Stärke des Magnetfeldeswird auf diese Weise Synchrotronstrahlung mit verschiedenenWellenlängen und Intensitäten erzeugt.In Teilchenbeschleunigern für die Teilchenphysik ist dieseSynchrotronstrahlung ein Ärgernis, denn die Elektronen verlierenbei dem Prozess Energie. Im Laufe der Zeit zeigte sichaber, dass Synchrotronstrahlung als Werkzeug genutzt werdenkann, das für die heutige Forschung unersetzlich ist.Dazu wurden Ringbeschleuniger gebaut, die mit speziellenMagnetstrukturen ausgestattet für die Erzeugung von hochbrillanterSynchrotronstrahlung optimiert wurden. Durchgeeignete Monochromatoren und Strahlführungssystemekann Licht einer gewünschten Wellenlänge extrahiert und fürzahlreiche Experimente genutzt werden. An einem Ringbeschleunigerkönnen auf diese Weise mehr als 50 Experimentegleichzeitig ablaufen.Mit dediziert für die Erzeugung von Röntgenlicht aufgebautenSynchrotronstrahlungsquellen der sogenannten zweitenGeneration (z. B. DORIS III in Hamburg, BESSY I in Berlin)konnten ab Mitte der 1970er Jahre zahlreiche Experimente zurUntersuchung der kondensierten Materie mit intensiverStrahlung unterschiedlicher Wellenlänge und variabler Polarisationdurchgeführt werden.Mit dem Aufbau von Strahlungsquellen der dritten Generation(z. B. ESRF, BESSY II, PETRA III), die sich durch stärkergebündelte Teilchenstrahlen und den Einbau von Undulatorenauszeichnen, ergab sich eine drastische Steigerung der Leuchtstärke(Brillanz). Diese Steigerung resultiert daraus, dass die geladenenTeilchen eine periodische Magnetstruktur durchlaufenund die dabei emittierte Strahlung sich kohärent überlagernkann. Die höhere Brillanz hat neue Forschungsfelder stimuliertund neue Experimente ermöglicht. So basieren unter anderemder Erfolg der mikroskopisch abbildenden Experimente oderauch die höchstauflösende Spektroskopie auf der hohen Brillanzdieser Quellen.10 Synchrotronstrahlung 2009

Linearbeschleunigerbasierte Röntgenquellen (Freie-Elektronen-Laserund künftige Energy-Recovery-Linacs) bringenin vielfacher Hinsicht einen weiteren Gewinn: Neben einerdeutlichen Steigerung an Kohärenz eröffnen sie eine variableZeitstruktur und eine drastisch gesteigerte Brillanz. Bisher vollständigunbekannte Phänomene lassen sich erforschen, unteranderem kann man nicht-lineare Prozesse vom VUV bis in denRöntgen-Bereich hinein untersuchen.In Freie-Elektronen-Lasern (FEL) wird die Strahlung inextrem langen Undulatoren erzeugt. FEL benutzen dazu hochenergetischeElektronenpakete extrem hoher Bündelung undkurzer Dauer, die im Undulator auf einen Slalomkurs gezwungenwerden. Dabei senden die Elektronen Synchrotronstrahlungaus, die in Wechselwirkung mit den Elektronenpaketentritt und ihnen nach und nach eine Substruktur auf derLängenskala der Wellenlänge des emittierten Lichtes aufprägt.Letztlich überlagert sich die von diesen Subpaketenemittierte Synchrotronstrahlung kohärent. Die so erzeugteFEL-Strahlung zeichnet sich durch eine hohe Brillanz, vollständigeräumliche sowie teilweise zeitliche Kohärenz, kurze Pulsdauernund eine geringe Energiebreite aus.Ein Energy-Recovery-Linac (ERL) vereint die Vorteile einesLinearbeschleunigers mit denen eines Speicherrings. ERL habengegenüber Freie-Elektronen-Lasern den Vorteil, dass zahlreicheNutzer gleichzeitig mit der intensiven und hochbrillanten Strahlungbei flexiblen Bedingungen der Pulslänge, Pulsfrequenzund Kohärenz experimentieren können.Deutschland spielt in der Entwicklung der beschleunigergetriebenenPhotonenquellen international eine führende Rolle.Mit den Freie-Elektronen-Laser-Anlagen in Hamburg (FLASH,European XFEL) werden einzigartige Experimentierbedingungenfür die Forschung mit hochenergetischen Strahlungspulsen miteiner Länge von ca. 20 Femtosekunden geschaffen. Bei kurzenStrahlungspulsen im Bereich von wenigen Femtosekundenkonkurrieren die beschleunigergetriebenen Strahlungsquellenmit Laborlaserquellen, die derzeit Pulse bis in den Attosekundenbereichliefern. Allerdings sind diese Quellen kaum in vergleichbaremMaße wie die Synchrotronstrahlung oder FEL-Strahlung durchstimmbar.Deutschland ist am Betrieb und Aufbau zahlreicherSynchrotronstrahlungsquellen sowie Freie-Elektronen-Laserbeteiligt. Die Beschreibungen dieser Quellen auf den Seiten 38bis 51 ermöglichen deren Vergleich.Vergleich der Spitzenleuchtkraftder Strahlungsquellender drittenGeneration mit denFreie-Elektronen-Lasern.Dort wird gegenüberheutigen Quellen eineSteigerung um etwa 10Größenordnungenerwartet.Synchrotronstrahlung 2009 11

MATERIALWISSENSCHAFTENWerkstoffe der Zukunft erforschenSynchrotronstrahlung gewinnt in den Materialwissenschaftenzunehmend an Bedeutung. Ein besonderes Forschungsinteresserichtet sich dabei auf möglichstrealistische Prozesse.Materialien beeinflussen die technologische und gesellschaftlicheEntwicklung in besonderer Weise: Ganze Periodender Menschheitsgeschichte wurden nach den jeweils dominierendenMaterialien wie Kupfer, Bronze oder Eisen eingeteilt undauch heute noch prägen neue Materialien den technischenForschritt. Ob bei Halbleitern, Gläsern, Kunststoffen oder Stahl– erst die Entwicklung neuer Werkstoffe ermöglicht viele Neuerungenwie etwa in der Informationstechnologie, Textilindustrieoder Architektur.Die Eigenschaften von Materialien werden durch derenAufbau von den Atomen bis zum Bauteil bestimmt. Einen wesentlichenAnteil daran haben die Dimensionen vom Nanometerbis zum Mikrometer, die mit Synchrotronstrahlung inunvergleichlicher Weise studiert werden können. Seit vielenJahren schon leistet die Synchrotronstrahlung einen wichtigenBeitrag zur Materialforschung und ergänzt ganz wesentlich dieMöglichkeiten anderer hochauflösender Methoden wie etwader Elektronenmikroskopie. Eine Analyse aller Veröffentlichungenaus diesem Forschungsfeld zeigt, dass die Zahl der Publikationenin der Materialforschung, welche das Stichwort„Synchrotron“ enthalten, seit den späten 1980er Jahren praktischlinear von null auf heute mehr als 450 pro Jahr angestiegenist (Quelle: Web of Science). Die meistzitierten Veröffentlichungennutzen dabei klassische Werkzeuge der Synchrotronstrahlung,zum Beispiel Pulverdiffraktometrie, Reflektivität,Kleinwinkelstreuung und spektroskopische Technikenwie EXAFS. Daher ist es extrem wichtig, diese klassischen Technikenauf sehr hohem Niveau verfügbar zu halten.Neue Entwicklungen gehen dahin, nicht nur Strukturen,sondern auch Prozesse zu erforschen. Das hilft bei derEntwicklung von Syntheseverfahren, beim Verständnis der mechanischenVerformung oder der Analyse von Umwandlungsreaktionen.Die Voraussetzung für solche Untersuchungen istdie Möglichkeit einer Messung in Abhängigkeit der Zeit sowiedie Verfügbarkeit von Probenumgebungen, die eine kontrollierteVeränderung der Probe erlauben. Ein hervorragendes Beispielfür eine Untersuchung dieser Art ist die Erforschung von Katalyseprozessen(siehe Forschungsbeispiel) mittels Photoelektronenspektroskopieim Röntgenlicht. Ein besseres Verständnis desProzesses wird hier über die direkte Beobachtung während derReaktion erreicht. Dazu ist eine komplexe maßgeschneiderteProbenumgebung nötig, die es erlaubt, die realen Bedingungenso genau wie nötig nachzustellen. Ähnliches gilt für viele anderematerialwissenschaftliche Probleme, bei denen mehrere physikalischeParameter (wie etwa Druck, Temperatur, Feuchte, mechanischeBelastung) gleichzeitig kontrolliert und verändertwerden, um die jeweilige Antwort des Materials darauf zu studieren.Neue Synchrotronstrahlungsquellen wie PETRA III inHamburg und – in noch viel höherem Maße – die zukünftigenFEL-Quellen werden es in Zukunft erlauben, die Zeitauflösungso sehr zu verbessern, dass es möglich sein wird, Details vonchemischen Reaktionen sichtbar zu machen.Moderne Materialien zeichnen sich in besonderem Maßedurch ihre strukturelle Komplexität aus. Elektronische Bauelemente,Biomaterialien oder neuartige Kunststoffe sind auf verschiedenenGrößenskalen unterschiedlich strukturiert, ihrAufbau kann dabei vom Kleinen (Nanometerebene) bis zurnächsten Skala (Mikrometerebene) variabel sein. Das macht dieCharakterisierung extrem schwierig. Ein vielversprechender Ansatzist die Verwendung von extrem feinen Röntgenstrahlen mitDurchmessern im Mikrometer- oder Nanometerbereich, welchein den letzten Jahren an hochbrillanten Synchrotronstrahlungsquellenwie der ESRF in Grenoble entwickelt wurden. DieGröße des Strahls bestimmt, in welchem Bereich die Probeanalysiert wird. Eine noch bessere Verfügbarkeit von Röntgenquellenmit extremer Brillanz ist daher für die Materialforschungvon höchster Bedeutung. Auch Abbildungsmethodenmittels kohärenter Strahlung sind in diesem Kontext ein sehrwichtiges Zukunftsthema.Die neuen Röntgenquellen mit hoher Brillanz und Kohärenzwerden in der modernen Materialforschung eine wesentlicheRolle spielen. Zusätzlich erfordert die Erforschung vonProzessen und Verfahren wie der Materialsynthese sehr komplexeProbenumgebungen und entsprechende Präparationslabors.Es wird daher auch für die Materialforschung zunehmendwichtig, dedizierte Laborräume und begleitende Untersuchungsmöglichkeitendirekt an der Synchrotronstrahlungsquellezur Verfügung zu haben.12 Synchrotronstrahlung 2009

Mit Synchrotronstrahlung zu besseren KatalysatorenEin besseres Verständnis von chemischen Reaktionen ander Oberfläche von Katalysatoren ermöglicht den optimiertenEinsatz der Reaktionsbeschleuniger.Katalyse bezeichnet den Vorgang, durch den chemischeProzesse schneller oder überhaupt erst ablaufen. Sie beeinflusstunsere Gesellschaft in starker, wenn auch eher unauffälliger Artund Weise. Der Autokatalysator ist das bei Weitem bekanntesteBeispiel und spielt eine wichtige Rolle zur Reduktion der Schadstoffemission.In der chemischen Industrie werden über 90 %der Materialien durch katalytische Prozesse hergestellt. Katalysatorensparen Ressourcen, Energie, sie schützen unsere Umweltund haben eine immense wirtschaftliche Bedeutung.Die elementaren Reaktionen auf der Oberfläche eines Katalysatorswerden von Chemikern und Physikern seit Jahrzehntenuntersucht. Im Jahr 2007 erhielt Gerhard Ertl, ehemaligerDirektor am Fritz-Haber-Institut in Berlin, den Nobelpreis fürChemie für seine Pionierarbeiten auf diesem Gebiet. Trotzdemist für die meisten realen katalytischen Prozesse noch weitgehendungeklärt, in welcher genauen Abfolge die elementarenReaktionsschritte erfolgen.Um der Wirkungsweise von Katalysatoren auf die Spur zukommen, sind hochkomplexe, technisch aufwendige Experimentenötig, die meistens intensive Strahlen von Elektronen,Neutronen oder Photonen erfordern. Synchrotronstrahlungsquellenliefern Photonen in einem breiten Spektralbereich, dieWissenschaftler für diese Experimente nutzen.Von heterogener Katalyse spricht man, wenn der Katalysatorund die zu reagierenden Stoffe in verschiedenen Aggregatzuständenvorliegen. Dies ist etwa beim Autokatalysator der Fall,der – wie in den meisten heterogenen Fällen – ein Feststoff ist.Die heterogene Katalyse findet hier an der Oberfläche statt. Umdiese Prozesse genauer zu studieren, ist es wichtig, Experimentezu realisieren, die genau diese Oberfläche und ein paar der darunterliegendenAtomlagen untersuchen.Die In-situ-Photoelektronenspektroskopie im Röntgenbereicheignet sich hervorragend für solche Untersuchungen.Diese Methode erlaubt es, die Zusammensetzung und die chemischeNatur der Katalysatoroberflächen unter chemischenReaktionsbedingungen zu entschlüsseln. Sie ist an der ISISS-Strahlführung (innovative station for in situ spectroscopy) derSynchrotronstrahlungsquelle BESSY II am Helmholtz-ZentrumBerlin für Materialien und Energie möglich.Ein Team um Detre Teschner vom Fritz-Haber-Institut Berlinhat dort das Hinzufügen von Wasserstoff an Alkinen unterder Beteiligung eines Palladiumkatalysators erforscht. Alkinesind Kohlenwasserstoffe, die zwei oder vier Wasserstoffatomepro Molekül aufnehmen können. In den meisten Anwendungenist dabei nur das Hinzufügen von zwei Wasserstoffatomen erwünscht,die Addition von vier Wasserstoffatomen gilt es hingegenzu vermeiden.Mit Hilfe von Synchrotronlicht konnten die Wissenschaftlerbeobachten, dass das Palladium wie erwünscht nur zweiWasserstoffatome an den Kohlenwasserstoff abgibt, wenn dieOberfläche und die obersten zwei bis fünf Atomlagen durch denEinbau von Kohlenstoff modifiziert sind. Dann bildet sich eineArt Haut auf dem Palladium. Unter den Bedingungen, bei denenvier Wasserstoffatome den Alkinen hinzugefügt werden, ist dieAusbildung dieser dünnen Schicht hingegen nicht zu beobachten.Daraus lässt sich der Schluss ziehen, dass die Haut wie eineBarriere wirkt, so dass Wasserstoff, der sich unter der Oberflächebefindet, nicht an der Reaktion teilnehmen kann.Mit Hilfe der oben geschilderten Resultate, die in Scienceveröffentlicht wurden, lassen sich nun neue Familien von Katalysatorenauf Palladiumbasis konzipieren, indem man die Löslichkeitvon Wasserstoff in den entsprechenden Materialienminimiert. Das kann man z. B. dadurch erreichen, dass man dieKatalysatoren so präpariert, dass sie gleich aus einem stabilenGemisch von Palladium und einem anderen Element wie etwaGallium entstehen.Dieses Beispiel zeigt, dass der Einsatz von Synchrotronstrahlungin Kombination mit anderen Techniken erlaubt, dasgrundsätzliche Verständnis von chemischen Reaktionen deutlichzu erweitern und Wege aufzuzeigen, wie Materialien fürKatalysatoren und den Einsatz in der chemischen Industrie verbessertwerden können.Abbildung:Mit Hilfe von Synchrotronstrahlungzeigte sich,wie sich in eine PalladiumschichteingelagerterKohlenstoff auf einenKatalyseprozess auswirkt.Durch den Kohlenstoffsteht weniger Wasserstoffzur Verfügung und eskommt eher zum gewünschtenHinzufügenvon zwei (links) anstellevon vier (rechts) Wasserstoffatomen.WissenschaftlicheVeröffentlichung:D. Teschner, J. Borsodi,A. Wootsch, Zs. Révay,M. Hävecker, A. Knop-Gericke, S. D. Jackson,R. Schlögl: The Roles ofSubsurface Carbon andHydrogen in Palladium-Catalyzed AlkyneHydrogenation.Science 320 (2008) 86Synchrotronstrahlung 2009 13

NANOWISSENSCHAFTENEinsichten in den NanokosmosAufgrund ihrer kurzen Wellenlänge eignet sich Röntgenstrahlungideal zur Untersuchung und Abbildung kleinsterStrukturen auf der Nanometerskala.Aus Experimenten an Einkristallen lassen sich Kristallmodelleerrechnen, welche die Bestimmung von Atompositionenmit Genauigkeiten von weniger als einem hundertstel Nanometererlauben. Durch die Bündelung der Strahlung mittels geeigneterRöntgenlinsen kann zudem auch die Kristallstrukturvon isolierten nanoskaligen Objekten vermessen werden. So lassensich kleinste strukturelle Veränderungen in Abhängigkeitder Größe oder der Oberflächeneigenschaften nachweisen. Darüberhinaus werden Röntgenlinsen zur direkten Abbildung eingesetzt.In den vergangenen 10 Jahren wurden an allen großenSynchrotronstrahlungsquellen entsprechende Röntgenmikroskopeentwickelt und in Betrieb genommen. Diese dienen nichtnur der reinen Bildgebung, sondern erlauben zudem, die Elementverteilungenoder den chemischen Zustand der untersuchtenSysteme auf der Nanometerskala zu ermitteln.Oberflächen können auf der Nanoskala unter Einsatz vonPhotoelektronenemissionsmikroskopen im weichen Röntgenbereichuntersucht werden. Die Vielzahl entsprechender Instrumentebei BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin im Vergleichzu anderen Strahlungsquellen weist auf eine gewisse Dominanzdeutscher Forschergruppen in diesem Bereich hin. Die Anwendungenzielen in vielen Fällen darauf, magnetische Mikro- undNanostrukturen und den zeitlichen Ablauf von Magnetisierungmit Nanosekundenauflösung zu untersuchen. Die derzeitigeNotwendigkeit von extremen Vakuumumgebungen und einerteilweise spezifischen Probenpräparation erschweren jedocheinen flexiblen Einsatz der Instrumente.Die meisten röntgenmikroskopischen Untersuchungen konzentrierensich auf den großen Bereich der Materialwissenschaften.Nanomaterialien, Nanopartikel, Nanoröhren undartifizielle Nanostrukturen gewinnen zunehmend in technologischenAnwendungen an Bedeutung, so dass der Bedarf anhochauflösenden Untersuchungsmethoden jenseits der konventionellenElektronen- oder Rastersondenmikroskopien stetigwächst. Beste Ortsauflösung erfordert hochbrillante Strahlungsquellenbei möglichst flexiblem Einsatz. Die derzeit verfügbarenInstrumente – insbesondere an der ESRF – sind starküberbucht, so dass dem steigenden Bedarf nur durch den Aufbauinnovativer Instrumentierung begegnet werden kann. Imharten Röntgenbereich können damit unterschiedlichste Probenumgebungenbei flexiblem Einsatz vom lebenden Insekt biszur Materie bei tiefen Temperaturen einfacher realisiert werden.Im weichen Röntgenbereich stehen unterschiedliche Detektionsmöglichkeitenebenso wie eine große Flexibilität bei denProben im Fokus.Der weiche Röntgenbereich ist für die 3D-Mikroskopiekleinster biologischer Objekte von großer Bedeutung. Dieses –die Elektronenmikroskopie ergänzende – Gebiet erlaubt dieAbbildung lebender Zellen in ihrer natürlichen Umgebung.Die Relevanz dieses Feldes wird nicht zuletzt durch die Einrichtungeines entsprechenden nationalen Forschungslabors an derAdvanced Light Source in Kalifornien unterstrichen. Doch auchin Deutschland besteht ein ideales Umfeld, um in diesem Bereicheine führende Rolle zu übernehmen. Dies erfordert jedochdie Errichtung einer entsprechenden Infrastruktur an den Strahlungsquellen.Zudem ist ein hohes methodisches Entwicklungspotentialgegeben. Insbesondere im Hinblick auf die derzeit verfügbarenOrtsauflösungen sind Verbesserungen wünschenswert. EntsprechendeInitiativen sollten gefördert werden – wie etwa beiden modernen linsenlosen Abbildungsverfahren.Röntgenlicht kann auch für Strukturierungsverfahren eingesetztwerden, bei denen mittels Belichtung Muster auf verschiedenstenMaterialien aufgebracht werden. Aufgrund seinerkurzen Wellenlänge bietet Röntgenlicht dabei gegenüber Lichtim sichtbaren Spektralbereich große Vorteile. Das sogenannteLIGA-Verfahren, das bei ANKA und BESSY II teilweise kommerzielleingesetzt wird, erlaubt die Herstellung kleinster Strukturenbeispielsweise für mikromechanische Bauteile. DieStrukturierung mit Hilfe von Röntgenlicht auf der Skala wenigerNanometer ist jedoch noch immer eine Herausforderung,in der großflächigen Fertigung periodischer Struktur steckt allerdingsnoch ausreichend Entwicklungspotential – selbst fürden kommerziellen Einsatz. Firmenausgründungen wie beispielsweiseam Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz unterstreichendie Vermarktungsmöglichkeiten. Sie erfordern allerdingseine ausreichende Verfügbarkeit entsprechender Quellenin Verbindung mit der notwendigen Infrastruktur wie etwaReinräumen.14 Synchrotronstrahlung 2009

Abbildung 1 Abbildung 2 Abbildung 3SMART auf Oberflächen geschautBeim SMART-Mikrospektroskop werden durch die Korrekturvon Abbildungsfehlern Auflösungungen im Nanometerbereichrealisiert.Mit Elektronen lassen sich kleinste Strukturen abbilden, dasich Elektronen gemäß der Quantentheorie teilweise wie Wellenverhalten. Die Elektronenmikroskopie liefert eine bis zu3.000-fach bessere Auflösung als die Lichtmikroskopie und lässtsich zudem vielseitiger mit anderen Messmethoden kombinieren.Bei der Photoelektronenemissionsmikroskopie werden zurAbbildung keine Elektronen aus einer externen Elektronenquellegenutzt, sondern Elektronen aus der Probe selbst, diemit Hilfe von Synchrotronstrahlung aus den Atomen gelöstwerden (innerer Photoeffekt).Da diese Photoelektronen direkt aus den untersuchten Probenkommen, tragen sie wichtige Informationen über chemische,elektronische und magnetische Eigenschaften der Probe,die durch geeignete Verfahren analysiert werden können.In der Elektronenmikroskopie ersetzen magnetische oderelektrostatische Linsen die Glaslinsen in der Lichtmikroskopie.Während aber die Abbildungsfehler der Glaslinsen nahezu vollständigu. a. durch Kombinationen konkaver und konvexer Linsenkorrigiert werden können und die Auflösung nur nochdurch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt wird, lassen sichkeine konkaven Linsen für Elektronen konstruieren. Durch dieVerwendung von Blenden erreichte man bisher eine bestmöglicheAuflösung von rund 10 Nanometern, das ist rund zehnmalschlechter als prinzipiell möglich. Zudem wird die Abbildungdurch das Ausblenden des Großteils des Elektronenstrahlsdeutlich dunkler. Dies erschwert u. a. die Beobachtung von zeitaufgelöstenProzessen oder strahlungsempfindlichen Proben.Beim durch das BMBF geförderten SMART-Projekt gelanges Forschern nun, die Linsenfehler mit Hilfe eines Elektronenspiegelszu korrigieren. Als Folge wird die Auflösung auf wenigeNanometer und gleichzeitig der Akzeptanzwinkel desObjektivs verbessert. Dadurch wird die Transmission des Mikroskopsdeutlich erhöht und die Strahlungsbelastung der Probedrastisch erniedrigt.Das SMART-Instrument ist derzeit bei BESSY II an einerHochfluss-Strahlführung installiert. Die Designparameter, dieeine Auflösung von zwei Nanometern anzielen, sind mit einernachgewiesenen Ortsauflösung von 3,1 Nanometern nahezuerreicht. Die anvisierte Auflösung ist ideal geeignet, um Nanostrukturenan Oberflächen mittels Spektromikroskopie zu analysieren.Eine der bisherigen Hauptanwendungen des SMART-Projektszielt auf die Untersuchung des Wachstums von organischenDünnschichten auf Metalloberflächen. Auf diese Weiselässt sich während der Schichtherstellung das Wachstum derSchichten als Funktion der Zeit, Temperatur oder Aufdampfrateverfolgen. Die mikroskopische Abbildung erlaubt unter anderem,den Einfluss von Oberflächendefekten, atomaren Stufenauf der zu bedampfenden Oberfläche, auf das Wachstumsverhaltenund den Einbau großer Moleküle zu studieren.Mit Hilfe des SMART-Mikroskops wurde beispielsweise untersucht,wie sich Stufen auf einer zu bedampfenden Silberoberflächeauf die Ausbildung einer Schicht aus PTCDA-Molekülen auswirkten. PTCDA (3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid)wird u. a. für organische Halbleiter-Bauelementeverwendet. Durch geeignete Kristallpräparation lassensich regelmäßig gestufte Silberoberflächen präparieren, auf diedas PTCDA aufgedampft wurde. Die Elektronenspektroskopiemacht dabei eine Verschiebung der elektronischen Niveausdeutlich, durch die auf die (kovalente) Art der Bindung zwischenPTCDA und Silber geschlossen werden kann. Bei nicht-gestuftenOberflächen bilden sich langreichweitig geordnete Bereicheaus, d. h. die PTCDA-Moleküle lagern sich periodisch an derGrenzfläche zum Metall an, wobei die Strukturparameter nahedem organischen Einkristall liegen.Im Fall der gestuften Silberoberfläche zeigt sich ein erstaunlicherEffekt: Aufgrund der starken Kopplung der PTCDA-Moleküle wird in der gestuften Oberfläche eine sogenannteFacettierung induziert, d. h. die Atome in der Silberunterlage lagernsich großflächig um, so dass die Stufen „wandern“ undsich letztlich unter den Bereichen befinden, in denen die Molekülegeordnete Domänen ausbilden. Diese (adsorbat-induzierte)Facettierung ist durch die Absenkung der freien Oberflächenenergiebegründet und konnte mit Hilfe des SMART-Mikroskopserstmalig in Echtzeit nachgewiesen werden.Abbildung 1:SMART-Spektromikroskopim KomplettaufbauAbbildung 2:Topographie derbedampften Oberfläche(Hellfeld-Darstellung)Abbildung 3:Dunkelfeldbild der Oberfläche.Der Kontrast entsprichtder Facettierungder Oberfläche aufgrundder Umorientierung derSilberunterlage.Siehe auch:H. Marchetto, U. Groh,Th. Schmidt, H. Kuhlenbeck,R. Fink, H.-J. Freund,E. Umbach: Influence ofthe substrate morphologyon the organic layer growthof PTCDA on Ag(111), Chem.Phys. 325 (2006) 178.Synchrotronstrahlung 2009 15

LEBENSWISSENSCHAFTENDen Molekülen des Lebens auf der SpurSynchrotronstrahlung hat enorm zum Verständnis desLebens auf molekularer Ebene beigetragen. Diese Möglichkeitengilt es auszubauen.Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurde die atomare Struktureiner Vielzahl großer Biomoleküle wie den Proteinen erstmalsentschlüsselt. In jüngster Zeit gelang es sogar, einige dergrößten bekannten Komplexe wie etwa das Ribosom und eineReihe von besonders schwer kristallisierbaren Proteinen derZellmembran zu untersuchen. Damit ist die Strukturbiologie zueiner zentralen Forschungsrichtung in den Lebenswissenschaftengeworden – sowohl im Bereich der Grundlagenforschungals auch für wichtige Anwendungen der pharmazeutischen Industrieund Biotechnologie. Überdurchschnittlich viele Beiträgekommen dabei aus Deutschland.Diese rasante Entwicklung wäre ohne Synchrotronstrahlungnicht möglich gewesen. Die überwiegende Zahl von Strukturen– insbesondere diejenigen von großen Proteinkomplexenund Membranproteinen – wird inzwischen mit Hilfe der Beugungvon Röntgenstrahlung an kristallinen Strukturen aufgeklärt.Analytische Methoden wie die Kleinwinkelstreuung,spektroskopische Methoden und direkte Abbildungstechnikenprofitieren von der hohen Brillanz und der Strahlqualität derneuesten Synchrotronstrahlungsquellen und nehmen stark anBedeutung zu.Derzeit stehen Experimente für lebenswissenschaftlicheAnwendungen im Wesentlichen bei der ESRF, bei BESSY II amHZB und bei der EMBL-Außenstelle bei DESY zur Verfügung.Vier neue Messstationen werden ab 2010/11 an PETRA III beiDESY nutzbar. Im Rahmen ihres Erweiterungsprogramms werdenan der ESRF bestehenden Messstationen deutlich verbessert.Bei FLASH in Hamburg laufen derzeit Machbarkeitsstudienfür die Entwicklung neuartiger Abbildungsmethoden an biologischenMaterialien.Für die Entwicklung der Lebenswissenschaften sind folgendeGesichtspunkte von zentraler Bedeutung:Zukünftige Forschungsplattformen müssen Zentren der Integrationwerden: Sie müssen sowohl das weite Spektrumstrukturbiologischer Methoden zusammenführen als auchderen Integrationen in andere Bereiche der Lebenswissenschaften(Zellbiologie, Systembiologie, Molekulargenetik, Biotechnologie)und medizinische Anwendungen (Tumorforschung,Infektionsbiologie, neurodegenarative Erkrankungen)unterstützen. Die Kleinwinkelstreuung hat als Methode –neben bildgebenden Verfahren wie der Elektronenmikroskopieund der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie – besondersstark an Bedeutung gewonnen.Eine effiziente Nutzung des gesamten strukturbiologischenMethodenspektrums setzt eine durchgehende Automatisierungder Messvorgänge und Datenprozessierung voraus und stellthöchste Anforderungen an das Datenmanagement.Da in vielen Fällen die zu untersuchenden Kristalle umsokleiner werden, je größer die zu erforschenden biologischenKomplexe sind, müssen Messstationen, die Objekte im Mikrometerbereichuntersuchen können, höchste Priorität haben.Darüber hinaus sind geeignete Infrastrukturmaßnahmen zurVorbereitung von Experimenten essentiell. In Grenoble wird diesemAspekt mit dem Projekt MASSIF bereits Rechnung getragen.In Hamburg befindet sich eine ähnliche Einrichtung im Rahmendes Projektes „EMBL@PETRA-3“ im Aufbau.Um diese Messstationen ständig technisch und wissenschaftlichweiterzuentwickeln, müssen sie in führende lokaleForschungsaktivitäten eingebunden werden. Auf dem Geländeder ERSF geschieht dies durch das Forschungsumfeld des PSB(Partnership for Structural Biology). In Hamburg bestehen aufdem DESY-Gelände derzeit Forschungsmodule seitens EMBL,MPG (bis 2011), GKSS und einem Verbund der UniversitätenHamburg und Lübeck. Ein Forschungszentrum für synchrotronbasierteSystembiologie mit Schwerpunkt Infektionsbiologie(Center for Structural Systems Biology, CSSB) ist derzeit inPlanung und könnte im Falle einer Realisierung Hamburg zueinem international führenden Forschungszentrum in derStrukturbiologie machen. In Berlin sind eine Reihe von Forschungsorganisationenund -verbünden, die sich vor allem ausden Berliner Universitäten rekrutieren, mit dem HZB BESSY IIassoziiert. Letztendlich müssen stimulierende Maßnahmen fürzukünftige Forschungsideen unterstützt werden, die zur Entwicklungvon neuartigen Experimenten im Bereich der Lebenswissenschaftenmit den neuen FEL-Quellen führen können. Mitden bereits bestehenden und sich im Bau befindlichen Quellen(FLASH bei DESY bzw. European XFEL) existieren herausragendeMöglichkeiten, im Bereich der Lebenswissenschaften eine weltweitführende Rolle zu übernehmen.16 Synchrotronstrahlung 2009

Blicke in die Motoren des LebensUntersuchungen mit Synchrotronstrahlung ermöglicheneinzigartige Einsichten in das komplexe Wechselspiel derKomponenten des Lebens – wie das der Muskeln.Unter dem Mikroskop gleicht ein Muskel Millionen winziger,in langen Reihen nebeneinander angeordneter Fäden. Diesensogenannten Sarkomeren verdanken wir Menschen unsere Bewegungsfähigkeit.Es handelt sich um hochkomplexe Strukturen,die an ihren Enden über breite Bänder aus dichtgepacktenMolekülen (Z-Scheiben) miteinander verbunden sind. Seit vielenJahren wird der Aufbau und die Bildung dieser Strukturenuntersucht. Insbesondere der Vernetzung der Sarkomere in derZ-Scheibe kommt dabei eine zentrale Bedeutung zu. Wie dieseVernetzungen genau aussehen, war bis jetzt weitgehend unbekannt.Die Forschergruppen um Matthias Wilmanns, Leiter derEMBL-Außenstelle bei DESY, und Mathias Gautel, einem EMBL-Alumnus, der jetzt am Londoner King's College forscht, habennun gezeigt, dass Titin, das größte menschliche Protein, beteiligtund in der Z-Scheibe verankert ist. Von dort aus erstrecktsich Titin in seiner vollen Länge über das halbe Sarkomer. Die Arbeitenwurden in Nature veröffentlicht.Die jüngste Untersuchung gibt nach mehr als zehn JahrenForschung eine Antwort auf die Frage nach dem Ablauf des Zusammenbaus.Peijan Zou und Nikos Pinotsis aus WilmannsLabor ist es gelungen, Teile des Titinmoleküls im Verbund miteinem weiteren Protein namens Telethonin zu kristallisieren. Ander EMBL-Außenstelle in Hamburg analysierten sie die Kristallemit hochenergetischer Röntgenstrahlung. Auf der hochdetailliertenAufnahme der Verbindungen zwischen den Proteinenentdeckten die Forscher, dass Telethonin die Enden von zwei Titinfädenauf eine Weise miteinander verbindet, die Anhaltspunkteüber den Aufbau von Sarkomeren geben kann.Mit Hilfe moderner Mikroskopiermethoden konnten dieForscher im Labor von Gautel beobachten, wie sich die Molekülein der lebenden Zelle miteinander verbinden. Es war bekannt,dass Telethonin am Ende des Titin-Moleküls als eine Art „Kappe“fungiert, nicht jedoch wie es zwei einzelne Proteine zusammenbringt.Die neuen Untersuchungen haben gezeigt, dass Telethonineine Symmetrie aufweist, durch die es zwei auseinanderstrebendeTitin-Moleküle festzuhalten vermag. Das istetwas Neues. Zuvor wurden bereits andere einzelne Proteinegefunden, die sich als „Palindrome“ an DNA-Moleküle heftenkönnen – hier aber wurde erstmals beobachtet, dass Proteineselbst auf diese Weise miteinander verbunden sein können.Aus den Sarkomeren zu beiden Seiten der Z-Scheibe dringenandere Moleküle in das Verbindungsband ein – nach Ansichtder Wissenschaftler könnte ein Teil dieser Verbindungen durchausdem Muster von Titin und Telethonin folgen. Beide Teamswerden nun nach neuen Beispielen dieser Art suchen.Mit dem Molekülkomplex in seiner endgültigen Zusammensetzung,dem Thema ihrer Forschungsarbeiten, decken dieForscher allerdings lediglich einen minimalen Teil des MuskelproteinriesenTitin ab, das Zehntausende von Aminosäuren beinhaltet.Vermutlich existieren Hunderte oder gar Tausendeweiterer Wechselwirkungen. Die Erforschung eines der komplexestenSysteme im Körper des Menschen mit Hilfe der Synchrotronstrahlunghat somit gerade erst begonnen. Diese Arbeitveranschaulicht in eindrucksvoller Weise, wie die moderne biomedizinischeForschung Ansätze aus Zellbiologie, Biophysikund Strukturbiologie miteinander kombiniert. Zudem eröffnetsie neue Wege auf der Suche nach den Zusammenhängen zwischenKrankheiten und bekannten Mutationen im MuskelproteinTitin.Abbildung:Strukturaufklärung durchSynchrotronstrahlungzeigt, dass es die symmetrischeForm des ProteinsTelethonin vermag, zweiauseinanderstrebendeTitin-Moleküle im Muskelfestzuhalten.WissenschaftlicheVeröffentlichung:P. Zou, N. Pinotsis,S. Lange, Y.-H. Song,A. Popov, I. Mavridis,O. M. Mayans,M. Gautel & M. Wilmanns:Palindromic assembly ofthe giant muscle proteintitin in the sarcomericZ-disk. Nature, 2006 Jan12, 439(7073): 229-33Synchrotronstrahlung 2009 17

KULTURWISSENSCHAFTENAltes in neuem LichtSynchrotronstrahlung ermöglicht zerstörungsfreie Einblickein historische Objekte. Die multidisziplinäre Forschungstellt dabei eigene Anforderungen an die Infrastrukturder Strahlungsquellen.Wer unsere heutige Kultur verstehen will, dem helfen vielfachEinsichten in die Bedeutung historischer Objekte. DetaillierteKenntnisse über die Entstehung von Kunstwerken oderden Einsatz von Kult- oder Gebrauchsgegenständen ermöglichenein tieferes historisches Verständnis.Die einzigartigen Möglichkeiten zur zerstörungsfreien Materialuntersuchungmit Synchrotronstrahlung haben dazu geführt,dass entsprechende Methoden verstärkt bei derUntersuchung historischer Objekte eingesetzt werden. Die Untersuchungsobjektereichen dabei von Bildern antiker Meisterbis zu Teilen versunkener Schiffe, von Schriften des Archimedesbis zu Kultgegenständen wie der Himmelsscheibe von Nebra(siehe rechte Seite) sowie von den Qumran-Rollen bis zum BerlinerGoldhut. In der Regel stehen dabei Fragen der Entstehung,der Herkunft, der Echtheit und Aspekte der Konservierung imVordergrund.Die zerstörungsfreie und räumlich aufgelöste Untersuchungder chemischen Zusammensetzung mittels Röntgenfluoreszenzanalyseist dabei eine der gebräuchlichstenTechniken. Bei dieser Methode wird das Phänomen der Fluoreszenzausgenutzt, bei dem bestimmte Stoffe Licht niedrigerEnergie abgeben, wenn sie mit Licht höherer Energie beschienenwerden.Aufgrund der Prominenz der untersuchten Objekte und derRelevanz der Forschungsergebnisse für unser Weltbild ist dieÖffentlichkeitswirkung dieser Aktivitäten sehr groß. Oft werdendie Resultate dieser Forschung mit Synchrotronstrahlung in denMassenmedien verbreitet. Es ergibt sich daher eine willkommeneMöglichkeit, die Arbeit von und mit Synchrotronstrahlungsquelleneiner breiten Öffentlichkeit darzustellen.Die Nutzer in diesem Bereich kommen in der Regel nichtaus dem angestammten Kreis der Synchrotronstrahlungsgemeinschaft,sondern sind multidisziplinäre Gruppen, die sichbeispielsweise aus Archäologen, Historikern, Konservatoren undNaturwissenschaftlern zusammensetzen. Die Gesamtzahl derNutzer ist noch vergleichsweise klein, steigt aber in Deutschlandzusammen mit der weltweiten Entwicklung kontinuierlich.Eine signifikante Ausweitung dieser Aktivitäten erfordert in ersterLinie die Bereitstellung geeigneter Laborumgebungen fürdie ungewöhnlichen Proben. Die Erfordernisse sind so verschiedenwie die Untersuchungsobjekte. Beispiele sind klimatisierteProbenhütten oder Tresore für die Zwischenlagerung deroft sehr wertvollen Objekte. Zusätzlich ist wesentlich, dass dieSynchrotronstrahlungsquellen Ansprechpartner bereitstellen,welche die Untersuchungsmöglichkeiten aufzeigen und imEinzelfall sogar angepasste Lösungen für Experimente schaffenkönnen.Trotz der Vielfältigkeit des Feldes gibt es übergreifendeTrends für technische Verbesserungen. Diese zielen auf dieEmpfindlichkeit der Analysemethoden bei gleichzeitiger Verringerungder Strahlendosis, um die Objekte nicht zu beschädigen.In diesen Bereich fällt die Entwicklung und Nutzung effizientererDetektoren und schnellerer Messsysteme. Weiterhin ist esfür viele Nutzer wesentlich, ein einheitliches Koordinatensystemfür die Kopplung verschiedener Untersuchungsmethoden anderselben Probe etablieren zu können. Die Fähigkeit einer externen,mikrometergenauen lichtmikroskopischen Orientierungder Probe und die Möglichkeit, diese Koordinaten für ortsaufgelösteMessungen in alle beteiligten Synchrotronstrahlungs-Messstationen zu übernehmen, würde zu einer substantiellenVerbesserung der Arbeitsbedingungen führen. Gegenüber diesenpotentiellen Verbesserungen ist die gegenwärtige Weiterentwicklungder Synchrotronstrahlungsquellen zu höhererBrillanz sekundär.Die in den Kultur- und Geisteswissenschaften ebenso wiein den Naturwissenschaften eingebettete Archäometrie bildetderzeit ein kleines, aber aufstrebendes Anwendungsgebiet derSynchrotronstrahlung, das von den überragenden spektroskopischenund mikroskopischen Untersuchungsmethoden inKombination mit der Zerstörungsfreiheit der Methoden lebt. DieAktivitäten an deutschen Synchrotronstrahlungsquellen sowiean der ESRF sind auf höchstem internationalem Niveau, wiezahlreiche Arbeiten insbesondere an BESSY II in Berlin (sieheSeite 38), DORIS III in Hamburg (siehe Seite 40) sowie der ESRFin Grenoble (siehe Seite 48) belegen. Insbesondere über die Verbesserungder oben genannten weichen Faktoren im Umfeldder Infrastruktur der Strahlungsquellen werden sich diese Aktivitätenin Zukunft ausweiten lassen.18 Synchrotronstrahlung 2009

Die Himmelsscheibe von NebraEine zerstörungsfreie Analyse eines nahezu viertausendJahre alten Kultobjektes bietet wichtige Einblicke in denHerstellungsprozess.Die Himmelsscheibe von Nebra stellt einen der bedeutendstenarchäologischen Funde der letzten hundert Jahre dar. Eshandelt sich dabei um die älteste bekannte Abbildung desnächtlichen Sternenhimmels. Die esstellergroße Bronzescheibeist gut zwei Kilogramm schwer und hat einen Durchmesser vonetwa 32 Zentimetern. Auf ihr wurden 37 Goldbleche mit einerDicke von etwa 0,4 Zentimetern eingelassen.Im Jahr 1999 stießen Raubgräber bei illegalen Ausgrabungenin der Nähe der Stadt Nebra in Sachsen-Anhalt auf dieHimmelsscheibe. Seit 2002 gehört sie zum Bestand des Landesmuseumsfür Vorgeschichte Sachsen-Anhalt in Halle (Saale).Dargestellt sind Sterne, von denen sieben den Plejaden entsprechen– einer Sterngruppe, die in vielen Kulturen zu kalendarischenZwecken gebraucht wurde. Zudem befinden sich zweigroße Himmelskörper auf der Scheibe, die entweder die Sonneund den Mond oder den Vollmond und den zunehmendenMond darstellen. Ferner waren auf der Bronzeplatte drei goldeneBleche aufgebracht. Zwei davon stellten vermutlich denHorizont dar (von denen nur noch eines erhalten ist), das drittewird als Boot interpretiert.Die Scheibe wurde zusammen mit anderen Objekten gefunden(zwei Bronzeschwertern, zwei Beilen, einem Meißelsowie Armspiralen). Diese Fundstücke können Archäologen mitgroßer Sicherheit auf 1600 vor Christus datieren. Damit ist dieHimmelsscheibe von Nebra die erste bekannte Darstellung exaktbeobachteter Gestirne in Europa.Mittels einer synchrotronstrahlungsbasierten Röntgenfluoreszenzanalysebei BESSY II am heutigen Helmholtz-ZentrumBerlin für Materialien und Energie haben Ernst Pernickaund Christian-Heinrich Wunderlich zusammen mit MartinRadtke und Heinrich Riesemeier die chemische Zusammensetzungder Goldbleche untersucht. Der entscheidende Vorteil gegenüberder klassischen Röntgenfluoreszenzanalyse bestanddabei darin, dass man nicht nur nachweisempfindlicher, sondernauch ortsauflösend und zerstörungsfrei arbeiten kann. Soließen sich am Objekt millimeterkleine Bereiche ohne Probennahmeanalysieren. Andere Verfahren wie etwa die Elektronenrastermikroskopieschieden aufgrund der Größe des Objektesaus.Bei der Analyse wurden drei verschiedene Goldblechsortenauf der Scheibe ausgemacht: So unterscheidet sich der Silbergehaltdes Bootes von den anderen Goldblechen erheblich.Zudem entsprechen sich der verbliebene Horizont und einer derSterne im Zinngehalt.Es ist also anzunehmen, dass die Himmelsscheibe in verschiedenenPhasen erschaffen wurde. Die Horizonte wurdenbeispielsweise erst nachträglich angebracht, wobei Sterne verdecktbeziehungsweise versetzt wurden. Erst danach kam dasBoot hinzu. Daraus lassen sich Vermutungen über die Funktionsänderungder Scheibe im Laufe von mehreren Generationenableiten.Aus der chemischen Zusammensetzung lässt sich eine Herkunftdes Goldes aus dem heute rumänischen Siebenbürgenvermuten. Das Kupfer stammt wohl aus Österreich, die Herstellungskundeaus Griechenland. Die Himmelsscheibe von Nebraist damit ein frühes europäisches Projekt, dem Synchrotronstrahlungzumindest einige seiner Geheimnisse entlockenkonnte.Abbildungen:Mit Hilfe von Synchrotronstrahlungließen sichdie unterschiedlichenKonzentrationen vonSilber und Kupfer in deneinzelnen Goldblechenauf der Himmelsscheibevon Nebra (unten)zerstörungsfrei ermitteln.WissenschaftlicheVeröffentlichung:E. Pernicka,C.-H. Wunderlich:NaturwissenschaftlicheUntersuchungen an denFunden von Nebra.Archäologie in Sachsen-Anhalt (2002) Nr.1:17-22Synchrotronstrahlung 2009 19

UMWELTWISSENSCHAFTENSpürnasen für die UmweltSynchrotronstrahlung liefert wichtige Analysemethodenzur Untersuchung der Umwelt.Eine der großen Herausforderungen unserer Zeit besteht inder Erhaltung der Lebensbedingungen auf unserem Planeten.Das Vordringen der Menschheit in nahezu jeden Bereich derBiosphäre sowie die tiefgreifenden Veränderungen unserer Umweltdurch technologische Prozesse erfordern ein umfassendesVerständnis komplexer Wechselwirkungen – in allen und zwischenallen Teilen unserer Umwelt. So verändert sich etwadurch die Produktion und anschließende Verteilung von natürlichnicht vorkommenden Materialien die Bioverfügbarkeit vielerStoffe. Neue Technologien wie die Nanotechnologieermöglichen die Kontrolle, aber auch die Verbreitung stetigkleiner werdender Objekte. Dem Nachweis dieser Materialienund Stoffe in der Biosphäre sowie der durch sie ausgelöstenProzesse kommt daher überragende Bedeutung zu.Analysemethoden mittels Synchrotronstrahlung bietendurch ihre einmalige Kombination von Eigenschaften wie Multielementsensitivitätund hohe räumliche Auflösung ein universellesWerkzeug zur zerstörungsfreien Untersuchung vonindustriell oder natürlich erzeugten Materialen. Die zu untersuchendenMaterialien reichen dabei von nanoskaligen Objektenwie Partikeln aus extraterrestrischen Quellen und derBiosphäre (Aerosole, Bodenpartikel) bis zu tief vergrabenenMaterialien (Einschlüsse). Neben den klassischen anthropogenenQuellen (Bergbau, Nukleartechnologie) treten zunehmendneue Quellen etwa durch die rasch fortschreitende Entwicklungder Nanotechnologie in den Vordergrund.Ein Bestandteil vieler Fragestellungen ist der elementspezifischeNachweis von Spurenelementen – wie beispielsweise inder Klima- und Paläoklimaforschung, der Geomikrobiologie,oder der Medizin (Biomineralisation). Wesentliche Aspekte sinddabei die Bioverfügbarkeit und Langzeitstabilität, insbesonderevon toxischen oder radioaktiven Materialen aus natürlichen undindustriellen Quellen (siehe nebenstehendes Forschungsbeispiel).Dies erfordert den Einsatz hochentwickelter analytischerVerfahren, die es erlauben, unterschiedliche Materialeigenschaftenvon der atomaren Ebene bis hin zu Teilchenagglomeratenzu erfassen.Im Bereich der Umweltwissenschaften kommt daher dieganze Bandbreite von Synchrotronstrahlungstechniken wieetwa den klassischen Methoden der Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie,der Spektromikroskopie, der Röntgenbeugungzur Phasenanalyse und Strukturbestimmung sowieabbildenden und tomographischen Verfahren zum Einsatz.Spezialisierte Messplätze für die Anwendung von Synchrotronstrahlungin den Umweltwissenschaften sind an allen Quellenverfügbar (ANKA, BESSY II, DORIS III, ESRF, PETRA III) wieetwa die Messplätze zur Untersuchung radioaktiver Proben, INEbei ANKA und ROBL an der ESRF.Fragestellungen aus dem Bereich der Umweltwissenschaftenprofitieren unmittelbar von Verbesserungen verfügbarersynchrotronbasierter Charakterisierungstechniken. So lassenWeiterentwicklungen in der Strahlführung (Mikro- und Nanostrahlen,Energieauflösung) und Detektion (Multielementdetektoren,schnelle Flächendetektoren) eine deutliche Verschiebungder Nachweisgrenzen bei höherer räumlicher Auflösungerwarten. Häufig ist der Einsatz weiterer Methoden erforderlichund legt daher den gezielten Ausbau vonSynchrotronstrahlungsquellen mit integrierten Laboratoriennahe, die eine kontaminationsfreie, umfassende Untersuchungkleinster Probenmengen erlauben.Die Umweltwissenschaften stellen einen rasch wachsendenBereich der Nutzung von Synchrotronstrahlungsquellendar, der zum Teil von Nutzern ohne spezifische Kenntnisse inInstrumentierung und Betrieb von Messplätzen getragen wird.Der adäquaten Betreuung der Nutzer in diesem Bereich kommtdaher große Bedeutung zu.20 Synchrotronstrahlung 2009

Abbildung 1:Lichtmikroskopische Aufnahmeeines Bohrkernausschnittesaus einernatürlichen uranhaltigenAbbildung 1Lagerstätte (Mitte, Ausschnitt710 µm x 120 µm).Analyse radioaktiver SedimenteVerfahren zum Nachweis radioaktiver Elemente in der natürlichenUmwelt spielen eine zentrale Rolle in den Umweltwissenschaften.Dies ist insbesondere bei gesundheitlich kritischen Elementen,die aus natürlichen Uranlagerstätten oder nuklearen Endlagernentweichen können, der Fall.Um etwa die genaue Zusammensetzung natürlicher uranreicherSedimente zu untersuchen, nutzte ein Team um MelissaA. Dennecke die Synchrotronstrahlungsquelle DORIS III in Hamburg.In einer Studie wurden mit Hilfe von mikrofokussierterRöntgenstrahlung hochauflösende Fluoreszenz-, Absorptionsspektroskopie-und Beugungsmessungen an Bohrkernen mitaktivem Material durchgeführt, welches aus der Nähe einerUranlagerstätte in der tschechischen Republik stammt.Damit ließ sich die Verteilung verschiedener Elemente(Eisen, Arsen, Uran), die Bestimmung der Valenzzustände derElemente bzw. eine ortsaufgelöste, röntgenographische Bestimmungmineralischer Phasen (Pyrit, Siderit, Arsenopyrit) inden Proben vornehmen. Studien von solchen sogenannten natürlichenAnaloga zu möglichen nuklearen Endlagern haben dasZiel, die Mechanismen für die Immobilisierung von Uran in Sedimentenzu identifizieren und zu charakterisieren. Langfristigsollen damit zuverlässige Langzeitsicherheitsanalysen und dieEntwicklung intelligenter, mehrstufiger Einschlussverfahren zurEntsorgung nuklearen Abfalls ermöglicht werden.Aus den Ergebnissen dieses spezifischen Beispiels ist es gelungen,einen der vorherrschenden Immobilisierungsprozessedes Urans zu identifizieren, das chemische Milieu bei der Entstehungdes Sediments abzuschätzen, und eine thermodynamischeBeschreibung des Prozesses zu erstellen.Das Uran, das durch Witterungsprozesse aus nahe liegendenGranitformationen aufgelöst wurde, wird als sogenanntemobile hexavalente U(VI)-Spezies im Grundwasser transportiert.Das mobile U(VI) wurde am Mineral Arsenopyrit in einem tieferliegenden anoxischen Horizont reduziert, wobei schwerlöslichestetravalentes U(IV) ausfiel und As(V) entstand.Abbildung 2+3:Aus den ortsaufgelöstenµ-Fluoreszenz- undµ-Diffraktionsmessungenlassen sich die Verteilungvon Elementen(Abbildung 2) undmineralischen Phasen(Abbildung 3)rekonstruieren.WissenschaftlicheVeröffentlichungen:M. A. Denecke et al.,Environmental Science &Technology. 39, 2049(2005);M. A. Denecke et al.,Abbildung 2 Abbildung 3Spectrochimica Acta PartB 63, 484 (2008).Synchrotronstrahlung 2009 21

GEOWISSENSCHAFTENEinblicke ins ErdinnereDas Erdinnere entzieht sich der direkten Beobachtung.Synchrotronstrahlung ermöglicht jedoch indirekte Einsichten.Die einzigartigen Eigenschaften der Synchrotronstrahlungerlauben die Anwendung einer Vielzahl analytischer Techniken.Mit ihnen lassen sich wichtige Informationen über die Naturvon Mineralien und anderen Erdmaterialien gewinnen, darunterderen kristalline Struktur, chemische Zusammensetzung, dieOberflächen- und Grenzflächenstruktur, die elektronischeStruktur sowie Elastizität und Porosität.Erdmaterialien sind oftmals heterogen zusammengesetztund Röntgen-Mikrostrahlen, mit Auflösungen von bis zu 100Nanometern, können dabei helfen, diese Komplexität zu entschlüsseln.Zudem bietet die große Durchdringung von insbesonderehochenergetischer Röntgenstrahlung den Vorteil,Proben unter nahezu natürlichen Bedingungen zu untersuchen,zum Beispiel bei Drücken und Temperaturen, wie sie im Erdkernoder Erdmantel vorliegen.Die simultane Anwendung mehrerer Methoden ermöglichtes beispielsweise, die Verteilung von Elementen und deren Mineralogiean ausgewählten Stellen des Gesteins mit einer Genauigkeitvon besser als einem Atom in Millionen von anderenzu bestimmen.Die Kombination von Absorptions- und Fluoreszenztechnikenist besonders hilfreich bei geochemischen Untersuchungenetwa der Bildung von Metall- und Hydroeinschlüssen sowieder Prozesse in Magmakammern. Ein gutes Beispiel für dieLösung geochemischer Probleme bei niedrigen Temperaturenliefert hier die erfolgreiche Ermittlung der Verteilung von Chromin natürlichen Proben und der Verunreinigung des Erdbodensmit gefährlichen chemischen Verbindungen mit Nickel, Cobalt,Zink, Cäsium oder Plutonium.Röntgen-Mikrotomographie-Aufnahmen ermöglichen es,die Verteilung von Verunreinigungen in mineralisierten Pflanzenzu bestimmen, Mineralieneinschlüsse in aus dem Erdinnerenkommenden Diamanten zu orten, die Belastungen von Bödenmit Öl und Wasser zu visualisieren und die Formen von Dampfblasenin Schmelzen zu beobachten. Besonders attraktiv an derMikrotomographie ist dabei, dass keine Probenpräparation vorgenommenwerden muss und nahezu jedes Objekt untersuchtwerden kann – darunter die Zähne von Neandertalern, Dinosaurierembryosund 100 Millionen Jahre alte Fossilien, die inundurchsichtigem Bernstein eingeschlossen sind.Die zentrale wissenschaftliche Idee hinter der Mineralphysikbesteht darin, dass wir durch ein besseres Verständnis derBestandteile der Erde wichtige Informationen über unseren Planetengewinnen können. Die Geophysik etwa untersucht derzeitdie Größe und räumliche Veränderung der Schallgeschwindigkeit,der elektrischen Leitfähigkeit und der Magnetisierung imErdmantel. Die ausgemachten Variationen spiegeln die Prozesseim Erdinneren wider und sind mit dem Ursprung der Plattenverschiebung,mit Erdbeben und Vulkanen verknüpft. OhneKenntnis der physikalischen Eigenschaften der Materialien, ausdenen die Erde besteht, können Geowissenschaftler die geophysikalischenund geochemischen Beobachtungen jedochnicht richtig deuten. Wesentlich sind hier die Temperatur, derFluss von Materie und Wärme sowie Phasenübergänge. DieEigenschaften von Mineralien werden dazu mit den verschiedenenexperimentellen und theoretischen Methoden bei immerhöheren Drücken und Temperaturen untersucht. Nur so kannden extremen Bedingungen im Erdinneren Rechnung getragenwerden.Hochenergetische Synchrotronstrahlung ermöglicht Experimentein Apparaturen zur Erzeugung hoher Drücke wieGroßvolumenpressen und Diamant-Stempel-Zellen mittelsRöntgenbeugung, inelastischer Röntgenstreuung sowie Kernresonanzstreuung.Zusätzlich können die Proben auf hohe Temperaturenerhitzt werden. Proben von wenigen Nanogramm(Pulver oder einzelne Kristalle) lassen sich auf diese Weise aufüber 200 Gigapascal und mittels Laserbestrahlung auf mehreretausend Grad Celsius bringen – dies sind die Bedingungen, wiesie im äußeren Erdmantel herrschen (siehe Forschungsbeispielauf der rechten Seite). Die Ergebnisse dieser Experimenteliefern wesentliche Informationen über die tiefsten Regionenunseres Planeten.22 Synchrotronstrahlung 2009

Unerwartete Spins im ErdinnerenStudien mit Synchrotronstrahlung bei hohem Druck undhohen Temperaturen haben eine unerwartete Änderungder Elektronenstruktur bei zweiwertigem Eisen im Innerender Erde ans Tageslicht gebracht.Das Innere der Erde ist größtenteils unzugänglich für direkteUntersuchungen. Will man hier Modelle erstellen, so istman in der Regel auf indirekte geophysikalische Daten wie dievon Erdbeben sowie Messungen im Labor angewiesen. SolcheModelle können nicht nur erklären, wie sich etwa die Temperaturund der Druck mit der Tiefe ändert, sondern auch, wie sichMateriebewegungen im Tiefen der Erde auf Prozesse an derOberfläche wie die Plattentektonik oder die Atmosphärenchemieauswirken.Das in der Erde am häufigsten auftretende Mineral, ein magnesium-und eisenhaltiges Silikat mit einer Perowskit-Struktur,ist Gegenstand vieler Laboruntersuchungen. Da Studien in Gegenwartdes Eisens schwieriger durchzuführen sind, werden oftnur die reinen Magnesiumsilikate untersucht.Eisen gehört jedoch zu den sogenannten Übergangselementen,die ihre Elektronenstruktur ändern können und dieserUmstand kann Auswirkungen auf die Eigenschaften des Erdinnerenhaben. Zweiwertiges Eisen kommt beispielsweise in dreiverschiedenen Spinzuständen vor. Ein hoher Spin liegt vor,wenn es vier ungepaarte Elektronen gibt, ein mittlerer Spin beizwei ungepaarten Elektronen und ein niedriger Spin, wenn keinesder äußeren Elektronen gepaart ist.Übergänge zwischen diesen Zuständen im Erdinneren wurdenvor nahezu 50 Jahren vorhergesagt, aber erst in den letztenJahren wurden sie bei Bedingungen, wie sie im unterenErdmantel herrschen, experimentell direkt beobachtet.Untersuchungen mit Synchrotronstrahlung im Jahr 2003zeigten, dass die zweithäufigste Phase im unteren Erdmantel(Mg,Fe)O, ein Magnesium- und Eisenoxid, einen Übergang vomhohen zum niedrigen Spinzustand unterläuft. Aber die Spinzuständevon zweiwertigem Eisen im Perowskit im unteren Erdmantelwaren immer noch ungeklärt.Im Jahre 2008 nahmen sich Forscher der Universität Bayreuthin Zusammenarbeit mit Kollegen der ERSF dieses Problemsan und entdeckten klare Hinweise auf einen Übergangdes Spinzustandes. Die Forscher untersuchten das Mineral beihohem Druck und hoher Temperatur mit Hilfe einer Diamant-Stempel-Zelle und einer Miniatur-Heizapparatur unter Einsatzvon Synchrotronstrahlung. Sie machten die überraschende Entdeckung,dass der mittlere Spinzustand in großen Bereichen desunteren Erdmantels stabil ist.Diese überraschende Stabilität steht wahrscheinlich mit derungewöhnlichen Umgebung des Eisenatoms im unteren Erdmantelin Verbindung. Mit Hilfe von Computersimulationen unddes Einsatzes konventioneller Methoden lässt sich dieses Verhaltenbisher nicht reproduzieren. Um die Natur zufriedenstellendzu beschreiben, müssen also komplexere Modelleherangezogen werden.Die neuen Erkenntnisse wirken sich dabei auch auf die Annahmenaus, auf denen Modelle der Erde beruhen. Denn dieSpinzustände können auch die elektrische und die Wärme-Leitfähigkeitbestimmen. Sie haben damit Einfluss auf den Wärmetransportin der Erde und damit darauf, wie sich etwaSuperplume formen, wie Konvektion im Erdmantel erfolgt undwie das Magnetfeld und Wärme aus dem Erdinneren an dieOberfläche des Planeten gelangen.Abbildung:Querschnitt des unterenErdmantels. Der Übergangvon gelb nach grün zeigtden Wechsel der Häufigkeitvon zweiwertigemEisen vom hohen zummittleren Spinzustand.Temperaturänderungenim oberen Bereich desunteren Erdmantels,aufgrund von Materiebewegungen,sind für dieVerteilung der beidenSpinzustände verantwortlich.WissenschaftlicheVeröffentlichung:C. McCammon, I. Kantor,O. Narygina, J. Rouquette,U. Ponkratz, I. Sergueev,M. Mezouar, V. Prakapenka,L. Dubrovinsky:Stable intermediate-spinferrous iron in lowermantle perovskite. NatureGeoscience 1 (2008) 684Synchrotronstrahlung 2009 23

STRUKTUR UND EIGENSCHAFTEN DER KONDENSIERTEN MATERIEFestkörper und weiche Materie ergründenDie Festkörperphysik profitiert in ihrer Vielfalt besondersvon den zahlreichen Untersuchungsmöglichkeiten, dieSynchrotronstrahlungsquellen zur Verfügung stellen.Die Festkörperphysik mit ihrer extremen Vielseitigkeit istder Wegbereiter für nahezu alle bisherigen und zukünftigentechnologischen Innovationen – angefangen von der Halbleitertechnologie,der Photovoltaik bis hin zur Informationstechnologie.Die Festkörperforschung analysiert und modelliertdabei die strukturellen, dynamischen, optischen und magnetischenEigenschaften sowie Transportaspekte von geordnetenund ungeordneten Materialien auf verschiedenen Längenskalen.Dabei kommt der Festkörpertheorie eine herausragende Rollezu: Sie erklärt fundamentale Zustände und Phasenübergänge,leitet optische, elektrische und magnetische Eigenschaften abund besitzt durch Simulation der Elektronendichte eine hoheVorhersagekraft für physikalische Parameter.Da auch die weiche Materie in Form von Polymeren, Mizellenund Kolloiden sowie organische Materialien und Flüssigkeitenin zunehmendem Maße in den Fokus der Festkörperforschungrücken, charakterisiert die Bezeichnung „Forschungder kondensierten Materie“ zutreffender die derzeitigenund zukünftigen Aktivitäten dieses Forschungsbereiches als dieältere Bezeichnung „Festkörperforschung“.Trotz der Vielfalt der untersuchten Materialien und ihrer Eigenschaftenkönnen in der heutigen Forschung drei Hauptrichtungenunterschieden werden:• ein vertieftes und fundamentales Verständnis von physikalischenEigenschaften bekannter Materialien,• die Kombination bekannter Materialien zur Erzeugungneuer bahnbrechender Eigenschaften,• die Entwicklung neuer Materialien mit maßgeschneidertenEigenschaften wie photonische Kristalle, Shape-memory-Legierungen, inklusive der Strukturierung durch Top-downoderBottom-up-Verfahren.Die Festkörperforschung benötigt grundsätzlich die gesamtePalette physikalischer Messmethoden, um die vielfältigenFacetten von geordneten oder ungeordneten Materialenauf Längenskalen bestimmen zu können, die vom Makroskopischenzum Nanoskopischen reichen. Bei dieser Analyse spieltdie Synchrotronstrahlung eine entscheidende Rolle, da sieeine besonders große Vielfalt analytischer Methoden zurVerfügung stellt. Zur Strukturbestimmung stehen Beugungsmethoden(XRD, XRR, SAXS, Standing waves), spektroskopischenMethoden (EXAFS) und mikroskopische Methoden (XTM,XPEEM, Holographie) zur Verfügung.Die Elektronenverteilung von Festkörpern sowie Korrelationseffektezwischen Elektronen können über zahlreiche spektroskopischeMethoden bestimmt werden, die vom fernenInfrarot bis zur harten Röntgenstrahlung reichen (THz-Spektroskopie,ARPES, Auger, nukleare Resonanz, etc.). Für magnetischeUntersuchungen ist die Palette der Methoden besondersgroß und umfasst sowohl magnetisch-sensitive resonanteStreumethoden (XRMS) als auch spektroskopische Methoden,mit deren Hilfe die Spin- und Orbital-Komponenten derMagnetisierung quantitativ bestimmbar sind (XMCD). Allediese Methoden können mit komplexen Probenumgebungenwie hohen Magnetfeldern, hohen Drücken und tiefen Temperaturenkombiniert werden.Viele Untersuchungsmethoden erfordern eine Präparationvon Proben im Ultrahochvakuum (in-situ). Darüber hinaus wirdinzwischen eine Reihe von Methoden, die bisher im Laborpraktiziert wurden, an Synchrotronstrahlungsquellen miterhöhter Intensität durchgeführt wie z. B. die Mößbauer-Spektroskopie, die ferromagnetische Resonanz sowie die Infrarot-und Terahertz-Spektroskopie.Weiterhin eröffnet der Vorstoß in bisher nicht erreichbareZeit- und Längendimensionen völlig neue Einblicke in die Strukturund Dynamik von Festkörpern. Z. B. zeigen Echtzeitexperimentemit Auflösungen bis in den Femtosekundenbereich ganzneue Experimentiermöglichkeiten auf, die wiederum zu neuenFragestellungen in der Festkörperphysik führen. Als Beispiel seidie überraschend schnelle Entmagnetisierung bestimmter Metallenach gepulster Anregung genannt, während die Remagnetisierungum Größenordnungen langsamer erfolgt. DerMechanismus dahinter ist noch ungeklärt (siehe Forschungsbeispielrechts).Sehr große Fortschritte sind in den letzten Jahren hinsichtlichder Fokussierung von Synchrotronstrahlung erzieltworden. Daher können im Bereich der Nanobeugung sowie derNanomikroskopie mit Synchrotronstrahlung an Clustern undQuantenpunkten große Fortschritte in der Zukunft erwartetwerden.24 Synchrotronstrahlung 2009

Ultraschnelle EntmagnetisierungDie Forschung mit Synchrotronstrahlung dringt bei derUntersuchung von Magnetisierungen in immer kürzereZeitbereiche vor.Auf dem Gebiet des Magnetismus liegen Grundlagenforschungund technologische Anwendung oft sehr nahe beieinander.Das zeigt beispielsweise die Entdeckung des Riesenmagnetwiderstandesund dessen heutige Nutzung bei der magnetischenDatenspeicherung.Wichtig für eine weitere Miniaturisierung magnetischerSpeicherelemente ist die Frage nach der kürzesten Zeitskala füreine Umkehr von Nord- und Südpol bei magnetischen Bits.Experimente mit Magnetfeldpulsen von weniger als 2 Pikosekunden(2 billionstel Sekunden) Dauer deuten auf eine Geschwindigkeitsbegrenzungdurch ein nichtdeterministischesVerhalten der magnetischen Momente auf dieser Zeitskala hin,die durch ein Phänomen mit Namen Drehimpulsdissipation gegebenist. Ein noch schnelleres Zeitregime kann durch Heizenmagnetischer Bits mittels Femtosekunden-Laserpulsen im Bereichvon billionstel Sekunden erreicht werden. Hierbei ist einezentrale Fragestellung, auf welcher Zeitskala der Spindrehimpulsder Elektronen auf die Atome des Gitters übertragen werdenkann. Eine solche ultraschnelle Entmagnetisierung vonferromagnetischen Materialien ist unter dem Namen Einsteinde-Haas-Prozessbekannt.Der Einsatz von hundert Femtosekunden kurzen Röntgenpulsenmit variabler Polarisation erlaubte es erstmalig, die zeitlicheEvolution von Spin- und Orbitalmomenten auf derFemtosekunden-Zeitskala zu verfolgen. Dabei gehören die Nutzungdes sogenannten Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) unddie Anwendung von Summenregeln seit nunmehr fast zweiJahrzehnten zu den Standardwerkzeugen, die es Experimentatorenan Synchrotronstrahlungsquellen ermöglichen, Spin- undOrbitalmomente elementspezifisch zu bestimmen.Seit Inbetriebnahme der Femtosekunden-Slicing-Quelle beiBESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materie und Energieist es nun erstmals möglich, die Anwendung dieser Methodeauf ultrakurze Zeitskalen auszudehnen. Ein Forscherteam umHermann Dürr untersuchte auf diese Weise die Entmagnetisierungvon Nickel und fand heraus, dass dies bei einer charakteristischenZeitkonstante von nur 120 Femtosekunden erfolgt.Die Arbeiten wurden in Nature Materials veröffentlicht. DasErgebnis belegt, dass sowohl Spin- als auch Bahndrehimpulsaus dem elektronischen System abgegeben werden. Die erstaunlichkurze Zeitkonstante von nur 120 Femtosekundenliegt im Bereich der kürzesten Gitterschwingungsdauern unddeutet auf eine starke, noch unverstandene Spin-Gitter-Kopplung hin.Durch die kontinuierliche Verbesserung der Femtosekunden-Slicing-Quellesowie der zukünftigen Inbetriebnahme neuartigerFreie-Elektronen-Laser wird es erstmals möglich sein,ähnliche Prozesse auch in komplizierteren Materialen zu untersuchen,deren Funktionalität wie Hochtemperatursupraleitung,kollosalem Magnetwiderstand oder Ferroelektrizität durchstarke Kopplung von elektronischen, Spin- und Gitterfreiheitsgradenbestimmt ist.Abbildung unten:XMCD-Signal (L3-Kante) einer 15 Nanometer dicken Nickelschicht in Abhängigkeitder Zeit nach dem Heizen mit Hilfe eines Femtosekunden-Lasers.Die durchgezogene Linie ergibt sich aus einem Modell, mit dessen Hilfe dieEntmagnetisierungszeit zu 120 ± 70 Femtosekunden bestimmt werden kann.Die Messungen wurden mit 100 Femtosekunden kurzen Röntgenpulsen an derFemtosekungen-Slicing-Quelle von BESSY II durchgeführt.Abbildung:Schematische Darstellungder Femtosekunden-Slicing-Quellebei BESSY II.Ein Femtosekunden-Laserwirkt derart auf die Elektronenpaketeein, dassFemtosekunden-Röntgenpulseerzeugt werden können.Im Experiment desTeams um Herrmann Dürrwurde die Probe von einemTeil des Laserpulsesmagnetisch angeregt.Mit Hilfe der Röntgenpulsewurden diese angeregtenZustände dann über eineschnelle Photodiode nachgewiesen.Durch einerotierende Scheibe, denChopper, konnte bestimmtwerden, ob die Probe imangeregten oder im nichtangeregtenZustand vermessenwerden soll.WissenschaftlicheVeröffentlichung:C. Stamm, T. Kachel,N. Pontius, R. Mitzner,T. Quast, K. Holldack,S. Khan, C. Lupulescu,H. A. Dürr, W. Eberhardt:Femtosecond modificationof electron localization andtransfer of angular omentumin nickel. Nature Materials2007/6:740-743Synchrotronstrahlung 2009 25

ATOME, MOLEKÜLE, CLUSTER UND FREIE NANOTEILCHENEinfaches untersuchen, um Komplexes zu verstehenDas Studium einfacher Objekte wie Atomen und Molekülenstellt einen wichtigen Schlüssel zum Verständnis derkomplexen Natur da. Neue Strahlungsquellen dringendabei in unbekannte Regionen vor.Grundlegende Eigenschaften der Materie werden mit Synchrotronstrahlungseit langem an einfachen Objekten in derGasphase untersucht. Hierzu gehören Atome, Moleküle, Clusterund Nanopartikel. Ein genaues Verständnis der Elektronenverteilungund des zeitlichen Verhaltens dieser relativ einfachenBausteine ist von grundlegendem Interesse, um die deutlichkomplexeren Prozesse in kondensierter Materie zu verstehen.Darüber hinaus sind Atome und Moleküle in den BereichenAstrophysik und atmosphärische Umwelt von Bedeutung, sodass entsprechende Experimente mit Synchrotronstrahlungauch einen Beitrag zur Forschung in diesen Gebieten leisten.Die Atom-, Molekül- und Clusterphysik hat in den vergangenenJahren unter Nutzung von Synchrotronstrahlungsquellender dritten Generation entscheidende Schritte getan:Hochauflösende Studien, teils in Verbindung mit Laserstrahlung,liefern wichtige Beiträge zum Verständnis der Abläufe aufkürzesten Zeitskalen bis in den Femtosekundenbereich. Hierzugehört die Ionisation durch Photonen, die Relaxation der durchIonisation gebildeten angeregten Zustände, der nachfolgendeZerfall in geladene und neutrale Bruchstücke sowie die Kopplungelektronisch angeregter Zustände (siehe Forschungsbeispiel).Dies schließt auch die aus quantentheoretischer Sichtäußerst interessante winkel-, spin- und energieaufgelöstenMessung der Photoemission ein. Durch gleichzeitigen Nachweisder geladenen Bruchstücke lassen sich die Mechanismen derZerfälle hochgeladener Ionen bestimmen.Künftige Entwicklungen zu Studien an Atomen, Molekülen,Clustern und freien Nanopartikel sind eng mit der Verfügbarkeitneuer Quellen für hochbrillante Strahlung verbunden. Hierzugehören zum Beispiel zeit- und wellenlängenabhängige Untersuchungenim weichen Röntgen- und angrenzenden Vakuum-Ultraviolettbereich, die mit neuen Methoden (z. B. derFourier-Transformation-Spektroskopie) einen deutlichen Fortschrittgegenüber traditionellen Methoden (Gitter-Spektroskopie)liefern. Hochbrillanzquellen werden es ermöglichen,Objekte variabler Größe und Komplexität in hochverdünnterGasphase zu untersuchen. Hierzu gehören u. a. Radikale, angeregteAtome, Moleküle sowie Ionen einschließlich Clustern, diebis in den Bereich der Nanopartikel reichen. Hier richten sichdie Hoffnungen auf die neue Quelle PETRA III, die weiter verbesserteQuelle BESSY II sowie künftige ERL-Quellen. Damit wirdes in Verbindung mit verfeinerten Verfahren der Probenpräparationund Detektion möglich, mit besonderer Genauigkeitund Selektivität einzelne Quantenzustände zu untersuchen.Durch Freie-Elektronen-Laser hat das Feld der Atom-, Molekül-und Clusterphysik besonders profitiert. Hier konnte bereitsin Pionierexperimenten wissenschaftliches Neulandbeschritten werden (siehe FLASH). Wohlbekannte Systeme wieeinfache Atome, Moleküle und Cluster sind besonders gut dazugeeignet, die Physik in dem bisher weitgehend unbekanntenGebiet der extrem starken Felder, wie sie mit Hilfe von Freie-Elektronen-Lasern erreicht werden können, zu studieren unddie experimentellen Beobachtungen mit theoretischen Modellrechnungenzu vergleichen.Zeitliche Prozesse in Atomen und Molekülen liegen im Bereichunter hundert billiardstel Sekunden. Untersuchungen dieserProzesse erfordern hochintensive und kurze Röntgenblitzeaus Freie-Elektronen-Lasern, teils in Verbindung mit Kurzpulsblitzenaus modernen Laserquellen. Das Ziel liegt darin, das zeitlicheVerhalten in Echtzeit an einfachen, wohldefiniertenModellsystemen untersuchen zu können. In Verbindung mit dergezielten Kontrolle der Kern- und Elektronendynamik wird esmöglich sein, Prozesse bis hin zu grundlegenden Beiträgen zumVerständnis von Quanteninformation und deren Nutzungsowohl im Spin- als auch im Ortsraum zu erforschen. Die Erwartungenrichten sich an die stetige Verbesserung der Strahlungsquellenbezüglich ihrer Stabilität, Brillanz, Kohärenz undeinfachen Durchstimmbarkeit. Die Leistungsfähigkeit künftigerQuellen wird einen Beitrag dazu leisten, neuartige Studien anAtomen, Molekülen, Clustern und freien Nanopartikeln im Bereichder harten Röntgenstrahlung voranzutreiben, um hier bisherunbekannte Phänomene zu entdecken. Hierfür wird derkünftige European XFEL eine Schlüsselstellung einnehmen.26 Synchrotronstrahlung 2009

Elektronenpaare in QuantenfernbeziehungenExperimente mit Synchrotronstrahlung liefern Einsichtenin die Mysterien der Quantenphysik.Die Quantenmechanik stellt unsere Vorstellungskraft aufeine harte Probe. Einiges ging da sogar Albert Einstein zu weit.1935 veröffentlichte er zusammen mit Boris Podolsky und NathanRosen einen Artikel, in dem die Autoren zu dem Schlusskommen, dass – wenn die Quantenmechanik stimme und dieWirklichkeit unabhängig von unseren Beobachtungen sei, esQuantenobjekte in spukhaften Quantenfernbeziehungen gebenmüsse. Und das könne einfach nicht sein.Generell sind Eigenschaften von Quantenobjekten oft erstnach einer Messung bestimmt. Die Eigenschaften von zwei Objektenin einer Quantenfernbeziehung sind dabei auf eine mysteriöseWeise miteinander verknüpft. Denn wenn man ein Paarvon zwei Objekten in einem sogenannten verschränkten Zustanduntersucht, indem man eine Messung einer bestimmtenEigenschaft an einem der beiden vornimmt, so ist die entsprechendeEigenschaft unmittelbar auch für den Partner festgelegt– auch wenn sich dieser am anderen Ende des Universumsbefinden sollte.In den ersten Jahren nach der Veröffentlichung von Einstein,Rosen und Podolsky fand die Arbeit nicht allzu viel Beachtung,erschien sie vielen doch eher philosophischer Natur.Ideen für eine experimentelle Überprüfung dieser grundlegendenAnnahmen zur Struktur der Wirklichkeit gab es damalsnicht. Erst John Bell hat das auch EPR-Paradoxon genannte Problem1961 auf eine experimentell nachprüfbare Basis gestellt.Bells bahnbrechende Arbeit erlaubt, zwischen der Existenz einerlokal realistischen und einer quantenmechanischen Welt messtechnischzu unterscheiden. Realistisch bedeutet in diesem Zusammenhang,dass die Messungen nicht von einem Beobachterabhängen; von Lokalität sprechen Physiker, wenn sich entfernteEreignisse nicht unmittelbar beeinflussen können. In seiner Arbeitaus dem Jahr 2003 ging Anthony J. Leggett noch einenSchritt weiter, indem er die Nichtlokalität der Wirklichkeit bereitsberücksichtigte. Als entscheidender Faktor für den messbarenUnterschied zwischen klassischer Welt und Quantenweltbleibt dann nur noch der Realitätsbegriff. Es geht dann um diegrundlegende Frage, ob Elemente der Realität – wie die charakteristischenEigenschaften eines gemeinsamen Paar-Zustandes– in der Wirklichkeit unabhängig von einem Beobachterexistieren oder nicht.Einstein war fest davon überzeugt, dass dies unabhängigvom Beobachter sein müsse. Untersuchungen zur Verschränkungder Eigenschaften der Elemente unserer Wirklichkeithaben jedoch das Gegenteil bewiesen. Den Komponenten einesmaximal verschränkten Paares kann man nicht einmal teilweisedefinierte individuelle Eigenschaften zuordnen.In den vergangenen Jahrzehnten konnten Experimente dieGültigkeit der quantenmechanischen Interpretation der Wirklichkeitmit steigender Präzision belegen. Dabei wurden aber –einem Vorschlag David Bohms folgend – anstelle von Orts- undImpulseigenschaften Drehimpulseigenschaften ausgenutzt.Hingegen wurden Einsteins, Podolskys und Rosens eigentlicheVorschläge zur Überprüfung des Wirklichkeitsbegriffs hinsichtlichkontinuierlicher Variablen wie Ort und Impuls bisher experimentellnicht überprüft. Dieses Dunkel bezüglich derVerschränkung kontinuierlicher Variablen dauerte fast ein Dreivierteljahrhundertan.Erst in fortgeschrittenen Experimenten an zweiatomigenMolekülen wie N2 mittels Synchrotronstrahlung wurde diese VisionWirklichkeit. Hier verwendeten Forscher in einem Team umArbeitsgruppen aus dem Fritz-Haber-Institut in Berlin, derUniversität Frankfurt und dem California Institute of Technologyin Pasadena (Kalifornien) Synchrotronstrahlung dazu, denAtomen zwei Elektronen aus den innersten Schalen zu entreißen.Diese Elektronen verlassen das Atom in einer Quantenfernbeziehung,deren Verschränkungseigenschaften experimentellüberprüft werden konnten.Das Ergebnis war eine klare Bestätigung der Quantenmechanik,diesmal jedoch für die lange Zeit ignorierten kontinuierlichenVariablen Ort und Impuls. Das Verständnis dieserZusammenhänge ist in vieler Hinsicht eine der Grundlagen zurRealisation zukünftiger Quantencomputer, bei denen die Gesetzmäßigkeitender Quantenmechanik ausgenutzt werden sollen,um parallele Rechnungen zugleich durchzuführen zukönnen.Abbildung:Das Diagramm zeigt verschiedeneIntensitätender geraden (g) und ungeraden(u) Symmetriezuständein Abhängigkeitvom Impuls der Photoelektronen.Die experimentellenDaten passenvortrefflich zur Modellrechnung,auf die Cohenund Fano (CF) als erstehingewiesen haben.WissenschaftlicheVeröffentlichungen:B. Zimmermann, D. Rolles,B. Langer, R. Hentges,M. Braune, S. Cvejanovic,O. Geßner, F. Heiser,S. Korica, T. Lischke,A. Reinköster, J. Viefhaus,R. Dörner, V. McKoy,U. Becker, Nature Physics4, (2008) 649M. S. Schöffler, J. Titze,N. Petridis, T. Jahnke,K. Cole, L. Ph. H. Schmidt,A. Czasch, D. Akoury,O. Jagutzki, J. B. Williams,N. A. Cherepkov,S. K. Semenov,C. W. McCurdy,T. N. Rescigno, C. L. Cocke,T. Osipov, S. Lee,M. H. Prior, A. Belkacem,A. L. Landers, H. Schmidt-Böcking, Th. Weber,R. Dörner, Science 320,(2008) 920Synchrotronstrahlung 2009 27

PHYSIK UND CHEMIE AN OBERFLÄCHENMit Synchrotronstrahlung an Grenzen gehenDer Einsatz von Synchrotronstrahlung liefert eine Vielzahlwichtiger Beiträge zum Verständnis der Phänomene, diesich auf Ober- und Grenzflächen abspielen.Mit Synchrotronstrahlung können sowohl physikalische Eigenschaftenwie die räumliche Struktur oder die Elektronenverteilungvon Oberflächen als auch chemische Eigenschaftenvon sauberen und bedeckten Metall- und Metalloxid-Oberflächenermittelt werden. Der Einsatz von Synchrotronstrahlungzur Erforschung von weicher Materie wie Polymeren oder Kolloidennimmt ständig zu und auch biologische Grenzschichtenwerden in letzter Zeit in zunehmendem Maße mit Synchrotronstrahlunguntersucht.Für die Untersuchung von Oberflächen kommen unterschiedlicheMethoden zum Einsatz:Nach wie vor ist die Photoelektronenspektroskopie diewichtigste Methode zur Ermittlung der chemischen Zusammensetzungfester Oberflächen. Dabei werden die Elektronenvermessen, die aus der Probe bei einer Bestrahlung herausgelöstwerden. Durch die an Synchrotronstrahlungsquellen verfügbarenhöheren Intensitäten und besseren Strahlqualitätenkönnen Experimente mit fester Photonenenergie wie die Photoelektronenspektroskopie(XPS, UPS) und Röntgenbeugung(XRD) im Vergleich zum Labor erweitert werden. Die an Synchrotronsstrahlungsquellenfrei wählbaren Photonenenergienermöglichen – im Unterschied zu den bei fester Wellenlängebetriebenen Laborgeräten – in einfacher Weise die Ermittlungvon XPS-Tiefenprofilen. In letzter Zeit hat XPS mit Photonenhoher Energie viel Aufmerksamkeit erfahren, weil mit dieserMethode verborgene Grenzflächen untersucht werden können.Die Möglichkeit, die Photonenenergie zu variieren, spielt aucheine wichtige Rolle auf dem Gebiet von UPS, bei der ultraviolettestatt Röntgenstrahlung zum Einsatz kommt. In diesemZusammenhang stehen auch die photoelektronenbasierteMikroskopie und die Spektromikroskopie, für die in vielenFällen Synchrotronstrahlung unabdingbar ist.Um unbedeckte Einkristalloberflächen sowie organischeDünnstschichten zu untersuchen, kommt die Oberflächenröntgenbeugungzum Einsatz. Ein besonderes Forschungsinteresseerfahren dabei Langmuir-Blodgett-Filme, Polymere, selbstassemblierendeMonolagen und metallorganische Gerüste.Oberflächen werden auch mit Hilfe der Absorptionsspektroskopieuntersucht, bei der die Durchlässigkeit der Proben inAbhängigkeit der Photonenergie ermittelt wird. Während eineder grundlegenden Absorptionsspektroskopietechniken, dieRöntgenabsorptionsfeinstrukturspektroskopie (extended X-rayabsorption fine structure spectroscopy, EXAFS), nur wenig zurErforschung von Oberflächen eingesetzt wird, ist die Nahkanten-Röntgenabsorptionsfeinstruktur-Spektroskopie(near edgex-ray absorption fine structure spectroscopy, NEXAFS) eine vonvielen Arbeitsgruppen verwendete Methode, um die chemischenEigenschaften von Oberflächen zu untersuchen oder die räumlicheStruktur und Elektronenverteilung organischer und molekularerSchichten zu bestimmen. Dieses Gebiet ist nicht nurfür die heterogene Katalyse von Bedeutung, sondern auch generellfür die Erforschung von Grenzflächen zwischen Metallenund weicher Materie. Ein besonders wichtiges Beispiel ist dieorganische Elektronik, bei der NEXAFS angewendet wird, um dieOrientierung und das Wachstum molekularer Adsorptionsschichtenauf festen Substraten zu studieren (siehe Forschungsbeispielauf der rechten Seite). Auch im Zusammenhangmit der Selbstassemblierung organischer Moleküle auf MetallundMetalloxid-Oberflächen spielt NEXAFS eine wichtige Rolle.Kürzlich wurde eine auf NEXAFS beruhende Mikroskopiemethodeetabliert, durch die wertvolle Einblicke in die Mikrostrukturvon (Bio-)Polymeren gewonnen werden konnten.Eine weitere Technik, der in letzter Zeit immer größere Aufmerksamkeitgewidmet wird, ist die Röntgenemissionsspektroskopie(X-ray emission spectroscopy, XES). Sie ist eine universelleinsetzbare Methode, mit der sich sogar die Elektronenverteilungvon Isolatoren bestimmen lässt. Da bei dieser Technikweder primäre noch sekundäre Elektronen, sondern Photonengemessen werden, können Experimente auch bei höheren Drükkenund an pulverförmigen Materialien durchgeführt werden.Durch die Eindringtiefe der Strahlung ermöglicht die XES darüberhinaus die Untersuchung verborgener Grenzflächen. Die(Fluoreszenz-) Ausbeute ist jedoch relativ gering; aussagefähigeMessergebnisse können nur unter Verwendung von sehrintensiver Synchrotronstrahlung erhalten werden.28 Synchrotronstrahlung 2009

Abbildung 1 Abbildung 2Probleme der organischen SchichtarbeitUntersuchungen mit Synchrotronstrahlungsquellen liefernden Grund für Limitierungen bei der Herstellung dünnerHalbleiterschichten aus einem organischen Material.Moderne Synchrotronquellen ermöglichen Nachweisverfahren,mit denen auch kleinste Änderungen in der Struktur vonorganischen Molekülen in dünnen Filmen sichtbar gemachtwerden können. Weiche organische Materie weist dabei beimFilmwachstum Besonderheiten gegenüber anorganischen Materialienauf, die aus der komplexeren molekularen Struktur undder daraus resultierenden Flexibilität entstehen.Mittels Nahkanten-Röntgenabsorptionsspektroskopie(NEXAFS) konnte ein Forscherteam an BEESY II des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie zeigen, dass dieKristallisation von dünnen Filmen aus Rubren (C42H28) allgemeindadurch erschwert wird, dass die Atome des Moleküls in derGasphase beziehungsweise im Kristallverband verschieden angeordnetsind (siehe Abbildung 1). Diese Erkenntnis ist von entscheidenderBedeutung, da Rubren im Bereich der organischenElektronik als Halbleiter – z. B. in organischen Feldeffekt-Transistoren– eingesetzt wird und nur leistungsfähige Bauteile hergestelltwerden können, wenn die Rubrenfilme hochkristallinsind.Die Forscher verglichen die NEXAFS-Daten von Rubrenfilmenunterschiedlicher Schichtdicke und entdeckten eine anderespektroskopische Signatur für jene Filme, die sehr dünnwaren oder kalt aufgedampft wurden. Während für alle anderenPräparationsbedingungen drei scharfe Adsorptionslinien(siehe Abbildung 2a) zu sehen sind, konnte eine vierte Linie nurfür Filme gefunden werden, die entweder bei Temperaturenunter 300 K aufgedampft wurden oder die dünner als 12 nmwaren (siehe Abbildungen 2 b-d). Das Auftreten dieser zusätzlichenSpitze kann darauf zurückgeführt werden, dass die Rubrenmolekülein sehr dünnen Filmen in einer verdrillten Formvorliegen. Eine solche Konformation ist charakteristisch für dieGasphase, während für dickere Filme die Moleküle – wie im perfektenKristallverband – eine fast exakte planare Geometrie aufweisen.Wenn der Film bei nicht allzu hohen Temperaturen entsteht,werden die Rubrenmoleküle aus der Gasphase kommend miteiner verdrillten Geometrie auf der Oberfläche eingefroren, dadie für eine Umwandlung in die planare Konformation erforderlicheEnergie von rund 200 Millielektronenvolt zunächstnicht aufgebracht werden kann. Bei höheren Temperaturen istdie Umwandlung in die Volumenkristallstruktur hingegen möglich,wobei zusätzlich die resultierende Gitterenergie frei wird.Die Umwandlung findet auch oberhalb einer kritischen Filmdickefür Filme statt, die bei niedrigeren Temperaturen hergestelltwurden, da der Gewinn an Kristallenergie irgendwann denEnergieaufwand zur Konformationsänderung überkompensiert.Eine genaue Analyse der NEXAFS-Daten zeigt, dass dies bei etwaneun Moleküllagen der Fall ist. In den Daten verschwindet diezusätzliche Absorptionslinie dann vollständig, also nehmendann auch die etwa neuen Lagen des bisherigen dünnen Filmsdie Volumenkristallstruktur an.Bei dünnen Filmen oder solchen, die auf kalte Substrateaufgedampft wurden, kommt es aufgrund des Vorliegens unsymmetrischer,nicht effizient packbarer Moleküle und einer zumindestpartiellen Teil-Reorientierung, zu einer hohenDefektdichte. Dies hat negative Folgen für die Verwendung derFilme in organischen Bauelementen. Zur Herstellung von leistungsfähigenBauelementen werden hochkristalline Schichtenbenötigt, die entsprechend bei hohen Temperaturen erzeugtwerden müssen.Da die Moleküle an der direkten Oberfläche verglichen mitsolchen innerhalb dickerer Filme immer eine andere Konformationaufweisen, wird eine wichtige Voraussetzung für die Molekularstrahlepitaxie,ein Verfahren zur Herstellung dünnerSchichten, nicht erfüllt. Das weitere Filmwachstum wird immeraus verdrillten Molekülen erfolgen. Da die meisten (auch der imBereich organische Elektronik verwendeten) großen organischenMoleküle mehrere energetisch dicht beieinander liegendeKonformationen aufweisen, ist diese Wachstumslimitierung vongroßer Bedeutung für die Methoden zur Filmherstellung – wiedie organische Molekularstrahldeposition (OMBD) bzw. die organischeMolekularstrahlepitaxie (OMBE).Abbildung 1:Der Umbau des verdrilltenMoleküls in der Gasphase(links) in die Konformationim Rubrenkristallrechts bedarf einerEnergie von 210 meV, diedurch erhöhte Temperaturoder Gewinn an Gitterenergieaufgebracht werdenmuss.Abbildung 2:a) NEXAFS-Spektrumeines 30 nm dickenRubrenfilms;b) und c) Ausschnittehöchster Auflösung für0,5 bzw. 2 nm dicke Filmeaufgewachsen bei 170und 300 K auf Au(111)d) Die Entwicklung derFläche der Zusatzspitze.WissenschaftlicheVeröffentlichung:D. Käfer, L. Ruppel,G. Witte and Ch. Wöll:The role of molecularconformations in thin filmgrowth: Why soft mattercan be special. Phys. Rev.Lett. 95, 166602 (2005)Synchrotronstrahlung 2009 29

MATERIE UNTER EXTREMEN BEDINGUNGENMehrfach-extreme Bedingungen erforschenSynchrotronstrahlung bietet einzigartige Möglichkeiten,Materie unter extremen Bedingungen zu erforschen. EineBündelung der deutschen Anstrengungen wird zu internationalerWettbewerbsfähigkeit führen.Neben Zusammensetzung, Temperatur und externen Feldernist der Druck ein fundamentaler Parameter, um die chemischen,physikalischen und biologischen Eigenschaften vonMaterie zu verändern. Durch Fortschritte in der Detektortechniksind hier bei der Forschung mit Synchrotronstrahlung in denletzten Jahren wichtige Durchbrüche erzielt worden. Die Forschungsschwerpunkteumfassen die Gebiete Physik, Chemie,Geo- und Materialwissenschaften sowie zunehmend auch Biologie.Charakteristisch ist eine enge Verzahnung der experimentellenArbeiten mit Berechnungen der elektronischenStruktur und Computersimulationen. Synchrotronstrahlung istfür viele Arbeiten von besonderer Bedeutung, da die Größe derProben oft deutlich unter einem zehntel Millimeter Kantenlängeliegt. Nur die Intensität und hohe Auflösung von Synchrotronstrahlungsquellender dritten Generation ermöglicht die Bestimmungvon komplexen Strukturmustern, deren interessanteOrganisation eine Reihe von hochkarätigen Veröffentlichungenhervorgebracht hat.Der Trend geht zur Kombination unterschiedlicher extremerBedingungen: z. B. hoher Druck und sehr tiefe Temperatur(Physik), hoher Druck und sehr hohe Temperatur (Chemie, Geowissenschaften,Materialforschung) oder hoher Druck bei tiefenTemperaturen und starken magnetischen Feldern (Festkörperphysik).Letztlich sollen die Ergebnisse dieser Messungen zueinem gezielten Materialdesign führen.Instrumentelle Verbesserungen ermöglichen nicht nur dieStrukturuntersuchung grundlegender Materialien wie chemischerElemente, einfacher Moleküle oder Gasmischungen, dieauch für die Planetenphysik relevant sind, sondern tragen auchzur Strukturanalyse anorganischer Werkstoffe und Supraleiterbei. Dadurch können neue Felder wie das der Bio- oder Geomaterialienweiter erschlossen werden. Zur letzten Gruppe gehörenauch superharte Stoffe, die in der Werkstoffbearbeitungeine auch wirtschaftlich zentrale Rolle spielen.Die im Bereich extremer Bedingungen arbeitenden Wissenschaftlersind in Deutschland stark zersplittert: Zwei Geoforschungsinstitute,drei Max-Planck-Institute und etwa zehnUniversitäten nutzten mindestens neun europäische Strahlungsquellenfür Arbeiten bei hohen Drücken. Die Koordinationder deutschen Aktivitäten wurde und wird gegenwärtig fastausschließlich über Schwerpunktprogramme der DFG geleistet.Im Gegensatz dazu haben sich andere Nationen an der Weltspitzeentschieden, entweder starke Gruppen an den Synchrotronstrahlungsquellenzu organisieren oder die Expertise inselbstständigen Gruppen oder Instituten zu bündeln: In Japanmit sieben Wissenschaftlern (NIMS), in den USA mit zehn Wissenschaftlern(Universität Chikago am APS) und in Großbritannienmit 50 Wissenschaftlern (CSEC). Diese Strategie ist auchden instrumentell anspruchsvollen Kombinationen mehrerer extremerBedingungen geschuldet. Dieser Trend ist nur mit Kontinuitätan technischem und wissenschaftlichem Know-how –und damit Personal – zu bewältigen. Daher ist es für einen Erfolgder Hochdruckstation von Petra III bei DESY von grundlegenderBedeutung, die bestehende Infrastruktur gezieltweiterzuentwickeln. Die dazu vorgesehene relativ kleine Abteilungder Hochdruck-Spezialisten am DESY sollte zu diesemZweck durch eine wissenschaftlich breiter orientierte Gruppeim Bereich „Extreme Bedingungen“ an der Universität Hamburgunterstützt und ergänzt werden. Diese muss die Bandbreite von(Festkörper-)Physik über Materialsynthese bis zu biologischenFragestellungen abdecken; dabei sind Prioritäten zu setzen. Aufgrunddes erheblichen instrumentellen Aufwands ist eine Ausstattungmit eigenen finanziellen Mitteln wesentlich, um mitkonzentrierter und langfristig angelegter Expertise ein nationalrelevantes und international sichtbares Kompetenzzentrum inder europäischen Forschungslandschaft zu schaffen. Parallel zuder geplanten Laserheizung und dem Einsatz kondensierterGase wird es Durchsatz und Qualität der Einrichtung steigern,neue Synthesemethoden abdecken, ergänzende spektroskopischeMessmöglichkeiten aufbauen und Technologien für die Erzeugungvon Drücken oberhalb von einem Megabar zurallgemeinen Verfügung stellen.Dabei können in der deutschen Synchrotronlandschaftneben PETRA III als Quelle der dritten Generation, welche dieHauptlast der Beugungsexperimente bewältigen wird, Quellender zweiten Generation ergänzende Techniken wie optischeSpektroskopie international wettbewerbsfähig abdecken.30 Synchrotronstrahlung 2009

Supraleiter unter DruckAbbildung 1 Abbildung 2Abbildung 1:Ausschnitt aus derKristallstruktur desSupraleiters SrFe2As2.Dargestellt ist eineSchicht aus Arsen- (rot)und Eisenatomen(orange). Die Ausrichtungder lokalen Momente inder magnetisch geordnetenPhase ist durch Pfeilewiedergegeben.Die Untersuchung einer neuen Klasse von Hochtemperatursupraleiternmit Synchrotronstrahlung bei hohen Drükkenbestätigt die theoretischen Vorhersagen.Im Bereich neuer Materialien bilden Werkstoffe zur Steigerungder Energieeffizienz einen breit gefächerten Interessenschwerpunkt.Von besonderer Bedeutung sind Stoffe zumwiderstandslosen Stromtransport, die sogenannten Supraleiter.Seit kurzer Zeit stehen Verbindungen von Eisen mit Arsen imMittelpunkt zahlreicher Untersuchungen, da bei einigen dieserstrukturell vergleichsweise einfachen Verbindungen der Effektder Supraleitung bei überraschend hohen Temperaturen beobachtetwird.Das Verständnis der Supraleitung ist trotz intensiver undumfangreicher Studien in den letzten beiden Jahrzehnten unvollständiggeblieben, so dass die zu Grunde liegenden Mechanismenimmer noch Gegenstand der Forschung sind. NeueMaterialklassen werden daher oft nicht zielgerichtet entwickelt,sondern entdeckt und anschließend optimiert.Die neuen supraleitenden Materialien werden bei Temperaturenvon bis zu etwa 50 Kelvin (-220° Celsius) supraleitendund zählen damit zur Klasse der Hochtemperatursupraleiter, dafür andere Supraleiter viel tiefere Temperaturen nötig sind.Die Verbindungsklasse weist als gemeinsames StrukturmerkmalSchichten auf, die aus Eisen- und Arsenatomen gebildetwerden. In einer der Strukturfamilien dieser Verbindungenwerden unterhalb von etwa 200 Kelvin Änderungen der Symmetriebeobachtet, die mit der Ausbildung einer speziellen magnetischenOrdnung in den Kristallen verbunden ist. Dabeiordnen sich die auf den Eisenatomen lokalisierten magnetischenMomente antiparallel entlang der einen Achse im Kristallan, während sich die Momente in Richtung der um etwa einProzent verkürzten anderen Achse parallel anordnen (siehe Abbildung1). Die mikroskopische Ursache für diese besondere magnetischeOrdnung wird derzeit noch intensiv diskutiert.Durch Änderung der chemischen Zusammensetzung kanndiese Anordnung der magnetischen Momente zu tieferen Temperaturenverschoben und schließlich vollständig unterdrücktwerden. Mit dem Verschwinden der magnetischen Ordnung istein Einsetzen der Supraleitung verbunden, in dieser Substanzfamiliebei Temperaturen zwischen 12 Kelvin und 38 Kelvin. Allerdingsbeeinflusst der Austausch von chemischen Elementennicht nur den Abstand der Atome, sondern auch die elektronischeStruktur der Verbindungen. Um den Effekt der Abstandsabhängigkeitin reiner Form untersuchen zu können, sind daherMessungen bei hohen Drücken und tiefen Temperaturen durchgeführtworden.Durch Kombination von Untersuchungen der Kristallstrukturund des elektrischen Widerstandes ist es gelungen, den Zusammenhangzwischen magnetischer Ordnung und atomarerAnordnung in einem ausgedehnten Bereich der interessantenParameter experimentell nachzuweisen (siehe Abbildung 2).Das Einsetzen der magnetischen Ordnung wird durch eineausgeprägte Änderung der Temperaturabhängigkeit des elektrischenWiderstandes angezeigt. Dieser Übergang verschiebtsich mit zunehmendem Druck zu tieferen Temperaturen. Die mitder magnetischen Ordnung einhergehende Änderung der Kristallsymmetriekann durch eine Aufspaltung von Linien in denRöntgenbeugungsdiagrammen direkt beobachtet werden. InÜbereinstimmung mit den Widerstandsmessungen verschiebtsich der strukturelle Phasenübergang bei zunehmendem Druckzu tieferen Temperaturen. Damit stehen die Ergebnisse derExperimente in guter Übereinstimmung mit der theoretischenVorhersage, dass mit zunehmendem Druck die Übergangstemperaturstark abnimmt.Die untersuchte Klasse von supraleitenden Eisen-Arsen-Verbindungen unterscheidet sich dadurch grundsätzlich vonden kupfer- und sauerstoffhaltigen Hochtemperatursupraleitern,die in den letzten 20 Jahren Gegenstand der Forschungwaren. Während in diesen die magnetische Ordnungstemperaturmit dem Druck zunimmt, zeigen die neuen Materialien eineAbnahme und damit ähnliche Eigenschaften wie klassische supraleitendeVerbindungen von Metallen. Die deutlich höherenÜbergangstemperaturen zusammen mit einer erhöhten Stabilitätin magnetischen Feldern machen die neuen Materialien zuaussichtsreichen Kandidaten für wissenschaftliche und technischeAnwendungen im Bereich des widerstandslosen Stromtransports.Abbildung 2:Stabilitätsfelder hoher(weiß) und gebrochenerSymmetrie (grau) desSupraleiters SrFe2As2.Die Untersuchungenzeigen, dass die Widerstandsänderungen(T0 aus ρ [elektrischerWiderstand]) und diestrukturellen Verzerrungen(T0 aus RD[Röntgendiffraktion])bei den gleichenBedingungen auftreten.WissenschaftlicheVeröffentlichung:M. Kumar, M. Nicklas,A. Jesche, N. Caroca-Canales, M. Schmitt,M. Hanfland, D. Kasinathan,U. Schwarz, H. Rosner,C. Geibel:Effect of pressure on themagnetostructuraltransition in SrFe2As2.Physical Review B 78184516 (2008)Synchrotronstrahlung 2009 31

METHODEN, INSTRUMENTE UND STANDARDSMethodische Möglichkeiten voll ausnutzenNur eine gezielte Weiterentwicklung der eingesetzten Methodenund Instrumente lassen die Möglichkeiten heutigerund zukünftiger Strahlungsquellen voll ausschöpfen.Die großen Fortschritte bei der Forschung mit Synchrotronstrahlungder letzten Jahre sind nicht zuletzt auf die rasanteEntwicklung neuer Methoden und Instrumentezurückzuführen. Die instrumentellen Entwicklungen sind sehrvielseitig und umfassen das gesamte Experiment – von der Erzeugungder Synchrotronstrahlung über die röntgenoptischeStrahlführung, die Probenumgebung, die Detektion der Strahlungbis hin zur Verarbeitung der gemessenen Daten. Dabei sindmit fortschreitender Optimierung die einzelnen Aspekte einesExperiments immer schwerer voneinander zu trennen. Die Automatisierungder Messung, Datenerfassung und -auswertungsowie die Probenvorbereitung und -charakterisierung in geeignetenLaboratorien in der Nähe der Strahlführungen gewinnteine immer größere Bedeutung. Durch methodische und instrumentelleVerbesserungen können wesentliche Fortschritteerzielt werden.Synchrotronstrahlung wird seit einigen Jahrzehnten genutzt,wobei sich eine Vielzahl von Methoden etabliert hat.Durch den Bau der Synchrotronstrahlungsquellen der drittenGeneration wie BESSY II oder die ESRF konnte die Qualität derStrahlung wesentlich verbessert werden. Insbesondere wurdeihre Brillanz um viele Größenordnungen gesteigert, so dass dieAuflösung vieler Röntgenverfahren wesentlich verbessert beziehungsweiseüberhaupt erst ermöglicht wurden (sieheForschungsbeispiel rechts). Die im Bau befindliche SynchrotronstrahlungsquellePETRA III bei DESY wird weltweit die brillantesteQuelle im harten Röntgenbereich sein. Sie kommt deridealen speicherringbasierten Quelle schon so nahe, dass wesentlicheSteigerungen der Brillanz ganz neue Konzepte erfordernwie etwa die des Freie-Elektronen-Lasers oder desEnergy-Recovery-Linacs. Eine solche Steigerung der Brillanzgegenüber dem heutigen Stand ist notwendig, um zum Beispieldie Orts- und Zeitauflösung struktureller Untersuchungen inden atomaren Bereich zu bringen.Die hohen Brillanzen moderner und zukünftiger Quellen erforderneine anspruchsvolle Instrumentierung. In den letztenJahren wurden hier große Fortschritte erreicht, insbesondereauch im Hinblick auf zukünftige Quellen wie den European XFEL.Dennoch sind Optiken, mechanische Komponenten und Detektorenheute meist vom Stand der Technik begrenzt. Das führtdazu, dass die experimentellen Möglichkeiten der heutigen undinsbesondere der zukünftigen Quellen mit den derzeitigen Mittelnnoch nicht vollständig ausgeschöpft werden können. Mitneuen Undulatoren können in Zukunft die Brillanz und andereStrahlungsparameter wie etwa Polarisation weiter optimiertwerden. Besonders hohe Anforderungen stellt dies an die optischenElemente – darunter Filter, Spiegel, Monochromatorenund erste fokussierende Elemente, die trotz hoher Belastungihre Funktion unter möglichst geringer Beeinträchtigung derStrahlqualität erfüllen sollen. Eine optimale Nutzung der Strahlungerfordert eine Weiterentwicklung dieser Komponenten. Mitwachsender Orts- und Zeitauflösung steigen auch die Anforderungenan fokussierende und abbildende Elemente. Auch hiersind instrumentelle Weiterentwicklungen nötig.Für die meisten Experimente stellen die heutigen Detektoreneine starke Einschränkung dar. Dies gilt insbesondere fürihre Orts-, Zeit- und Energieauflösung sowie Empfindlichkeitund Dynamik. Wegweisend sind die derzeit aufkommenden Pixeldetektoren,die eine massiv parallele Datennahme ermöglichen.Sie befinden sich in einer frühen Phase der Entwicklung.Insbesondere für ihren Einsatz an FEL-Quellen besteht noch erheblicherEntwicklungsbedarf.Synchrotronstrahlung ermöglicht das Innere einer Probe zuuntersuchen. Dies wird zunehmend in Experimenten genutzt,bei denen Proben zum Beispiel in chemischen Reaktoren unterhohen Drücken, bei verschiedenen Temperaturen oder in hohenMagnetfeldern untersucht werden. Hier kann die Entwicklungspezieller Probenumgebungen zur Untersuchung von Materieunter kontrollierten – auch zeitlich veränderlichen – Bedingungenbeitragen, die mit anderen Methoden nicht möglich ist.Neben der instrumentellen sind auch methodische Entwicklungennotwendig – etwa im Bereich der Datennahme und -interpretation.Letztere erlangt eine Schlüsselrolle, z. B. in der Tomographieoder bei der Rekonstruktion eines Objekts aus seinemBeugungbild (siehe Forschungsbeispiel rechts).Wie bereits in der makromolekularen Kristallographie eindrucksvolldemonstriert, ist eine systematische Standardisierungund Optimierung der Abläufe notwendig, um das Potentialmoderner und zukünftiger Quellen auszuschöpfen.32 Synchrotronstrahlung 2009

Abbildung 1Blitzaufnahmen bei FLASHEin Meilenstein auf dem Weg zur Methode der hochauflösendenRöntgenmikroskopie gelang Forschern am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY in Hamburg.Bei der Abbildung kleinster Objekte in einem Mikroskop begrenztdie zur Abbildung verwendete Optik neben der Wellenlängedes Lichts die Schärfe des Bildes. Mit zunehmenderAuflösung wird es immer schwieriger, eine geeignete Optik zubauen.Daher haben Wissenschaftler des Teams um Henry Chapmanin ihren Arbeiten im Jahre 2006 die Strahlungspulse desFreie-Elektronen-Lasers FLASH bei DESY in Hamburg verwendet,um mit Hilfe der sogenannten Abbildung durch Streuungmit kohärenter Strahlung ohne abbildende Optiken auszukommen.Sie nutzten dabei die Laserlichtartigkeit (Kohärenz) derStrahlung aus. Die Arbeit wurde in Nature veröffentlicht.Experimentell ist das Verfahren leicht zu verstehen: Zunächstwurde mit Hilfe eines Nanostrukturierungsverfahrensdie Testprobe hergestellt (zwei Strichmännchen unter der Sonnein einer dünnen Siliziumnitridmembran). Der ultrakurze Laserpulsvon FLASH wurde leicht auf diese Probe fokussiert und belichtetesie für etwa 25 billiardstel Sekunden (25 fs) – eine Zeit,in der die Bewegung der Atome eingefroren ist. Das von derProbe gestreute Licht wurde dann über einen Spiegel auf einenDetektor gelenkt, während der direkte ungestreute Strahl durchein Loch im Spiegel weitergeleitet wurde. Auf diese Weise entstandein Streubild, das mit Hilfe des Computers zurückgerechnetwerden kann. Das rekonstruierte Bild zeigt eine hoheDetailtreue und hat eine Ortsauflösung von 62 nm, was etwaeinem Tausendstel einer Haaresbreite entspricht.Die kurze Belichtungszeit und hohe Ortsauflösung hat hierjedoch ihren Preis: Die Intensität im FEL-Puls war so hoch, dasssich die Probe auf ca. 60.000 Grad erhitzte bevor sie verdampfte.Die Kürze des beleuchtenden Pulses reichte jedoch aus, zuvorein scharfes Bild aufzuzeichnen. Die Ortsauflösung ist hierdurch die Wellenlänge der Laserstrahlung und den beleuchtetenÖffnungswinkel des Detektors beschränkt und hat damitdas Potential, in Zukunft am European XFEL erheblich gesteigertzu werden.Mit diesem Experiment wurden sowohl die Abbildung miteinzelnen FEL-Pulsen demonstriert als auch Modelle zur Entstehungvon Strahlenschäden bei Beleuchtung mit intensiverFreie-Elektronen-Laserstrahlung verifiziert. Es stellt somit einenMeilenstein auf dem Weg zur hochauflösenden Röntgenmikroskopiedar, insbesondere für strahlenempfindliche biologischeProben, die während längerer Belichtung zerstört würden undsomit nicht mit herkömmlichen Verfahren abgebildet werdenkönnen. Durch geeignete mit dem Laserpuls synchronisierte Anregungder Probe, etwa durch einen ebenso kurzen Laserpulsim sichtbaren Bereich, können mit dieser Methode auch strukturelleVeränderungen auf atomarer Zeitskala ermittelt werden.Ziel ist es, die Ortsauflösung zu erhöhen, bis hin zur Wellenlängeder eingesetzten Strahlung, die für harte Röntgenstrahlungim atomaren Bereich liegt.Abbildung 2Abbildung 3Abbildung 1:Der Freie-Elektronen-Laserstrahl(von links) wirdauf eine Testprobe gebündelt,die aus zwei Strichmännchenund einerSonne besteht. Die Längedes Balkens im Bild entsprichteinem Mikrometer.Die von der Probe gestreuteLaserstrahlungwird mit Hilfe eines Spiegelsauf einen Detektorreflektiert, während derungestreute Strahl, derden Detektor in hohemMaße überbelichtenwürde, durch ein Loch imSpiegel weitergeleitetwird.Abbildung 2:Streubild der Testprobe,das mit einem einzigenPuls von ca. 25 FemtosekundenLänge aufgezeichnetwurde.Abbildung 3:Bild der Probe, das ausdem Streubild mit Hilfedes Computers rekonstruiertwurde.WissenschaftlicheVeröffentlichung:Henry Chapman, et al.:Femtosecond diffractiveimaging with a soft-X-rayfree-electron laser.Nature Physics 2 839-843(2006)Synchrotronstrahlung 2009 33

FREIE-ELEKTRONEN-LASERBereit für die RevolutionIm Bereich der Freie-Elektronen-Laser nimmt Deutschlandeine Führungsposition ein. Diese gilt es in den nächstenJahren zu sichern und auszubauen.Freie-Elektronen-Laser (FEL) liefern Röntgenblitze von unerreichterQualität. Mit hundertmillionenfach erhöhter Brillanzbei gleichzeitig mehr als 10.000 Mal kürzeren Pulszeiten imVergleich zu den besten bisherigen Quellen eröffnen sich völligneue Dimensionen. Diese Quellen haben das Potential, eine Revolutionin den verschiedensten Wissensgebieten einzuleiten.Mit Hilfe dieser Röntgenlaser wird es innerhalb des nächstenJahrzehnts möglich sein, Echtzeitaufnahmen vom Ablaufchemischer Reaktionen mit atomarer Auflösung zu erstellen –mit Auswirkungen auf für die chemische Industrie relevanteProzesse. Zudem wird die geometrische Struktur von einzelnenNanoteilchen wie etwa großen Biomolekülen und deren Elektronenverteilungzugänglich werden – mit entscheidender Bedeutungfür die medizinische und die pharmazeutischeForschung. Die kurzen Pulse im Zusammenhang mit der Laserlichtartigkeit(Kohärenz) der Strahlung erlauben völlig neueEinblicke in Nanomaterialien auf atomaren Zeit- und Längenskalen– mit höchster Relevanz für die Entwicklung neuerMaterialien und Speicher für die Computer- und Elektronikindustrie.Röntgenlaser werden aber auch fundamental neue Erkenntnisseüber die Grundlagen der Licht-Materiewechselwirkungan einfachen Systemen aus Atomen und Ionen in einemIntensitätsbereich liefern, der viele Größenordnungen entferntvon bisher Bekanntem ist. Sie ermöglichen erstmals die Untersuchungder Bildung und des Zerfalls von Molekülionen undRadikalen unter Einfluss von energiereicher Strahlung in irdischenLabors. Beide Reaktionen sind von höchster Bedeutung –nicht nur in der Atmosphärenchemie unter Sonneneinstrahlung,sondern auch für das Verständnis der Grundlagen der Molekülentstehungim Weltraum, wo man inzwischen mehr alshundert verschiedene, zum Teil komplexe Moleküle bis hin zuden Konstituenten des Lebens nachgewiesen hat (siehe Forschungsbeispielauf der rechten Seite).Nicht zuletzt sind Röntgenlaser aufgrund der enormenSpitzenintensitäten in der Lage, heiße Plasmen, wie sie etwa imKernbereich von Planeten auftreten, zu erzeugen und derendynamisches Verhalten zeitaufgelöst zu verfolgen.Deutschland ist weltweit führend auf dem Gebiet der Freie-Elektronen-Laser. Bei DESY in Hamburg wird FLASH als weltweiterster FEL für Nutzer betrieben. Er liefert äußerst kurzePulse im extremen Ultraviolet (XUV) und damit im für die Lebenswissenschaftenwichtigen Wellenlängenbereich des Wasserfensters.Bei FLASH werden unter Federführung odermaßgeblicher Beteiligung von Gruppen aus Deutschland zurzeitPionierexperimente in vielen Wissenschaftsfeldern durchgeführt.Unterstützt wird dies durch die Einrichtung desBMBF-Forschungsschwerpunkts „FLASH: Materie im Licht ultrakurzerund extrem intensiver Röntgenpulse“. Die Nutzung derphantastischen Möglichkeiten der neuen Quellen wird durchdie Gründung interdisziplinärer Forschungszentren wie desCenter for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg gefördert.Deutschland hat eine herausragende Stellung bei derEntwicklung von FEL-Quellen für den XUV- und Röntgenspektralbereichund ist federführend beim Bau des European XFEL.Mittel- und langfristig ist es entscheidend, die FührungspositionDeutschlands bei Entwicklung, Betrieb und Nutzung von FEL-Quellen zu sichern und auszubauen. Dazu sind folgende Maßnahmennotwendig:• die starke deutsche Beteiligung am European XFEL mit demZiel einer signifikanten Mitwirkung an der Konzeption und Realisierungder Experimentiermöglichkeiten und dem Aufbau einerstarken deutschen Nutzergemeinde für den European XFEL,• die Weiterentwicklung von FLASH zu FLASH II durch die Zusammenarbeitvon DESY und dem Helmholtz-Zentrum Berlinmit dem Ziel, XUV-Strahlung für eine größere Nutzerschaft zurVerfügung zu stellen und gleichzeitig neue Konzepte zu realisieren,die z. B. Experimente ermöglichen, bei denen Terahertzundoptische Pulse mit den FEL-Pulsen perfekt synchronisiertsind,• die deutsche Beteiligung bei LCLS in Stanford, die 2009 alserste FEL-Quelle für Röntgenstrahlung in Betrieb gehen wird• und die Intensivierung der Zusammenarbeit mit der traditionellenLaserphysik mit dem Ziel, die komplementäre Entwicklungim Bereich der Quellen für höhere Harmonische, sowieder durch kompakte Laser getriebenen Beschleuniger- und Attosekundenquellenfür FELs zu nutzen und den Transfer vonetablierten experimentellen Konzepten und neuen Entwicklungenaus der Laserphysik an die FEL-Quellen zu ermöglichen.34 Synchrotronstrahlung 2009

Weltraumchemie im Labor untersuchtUntersuchungen bei FLASH zeigen, dass bisherige Modellrechnungenfür die Wechselwirkung von Molekülen mitenergiereicher Strahlung unvollständig sind.Mit Hilfe von Radioteleskopen und Satelliten-Missionenhaben Wissenschaftler inzwischen mehr als hundert verschiedene,zum Teil komplexe Moleküle im Weltraum nachweisenkönnen – darunter auch die Bausteine des Lebens. Doch überdie chemischen Schritte, die zu diesen Molekülen führen, istsehr wenig bekannt – nicht zuletzt weil sie in Anwesenheit sehrenergiereicher Strahlung ablaufen, ähnlich wie die Prozesse inder Erdatmosphäre unter der Einwirkung von Sonnenlicht.Im Jahr 2007 haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg, des Weizmann-Institutsin Rehovot, Israel, sowie der Universität Aarhus, Dänemark, inZusammenarbeit mit DESY in Hamburg in einem Pionierexperimenterstmals den Aufbruch von Molekülionen durch Strahlungim extremen Ultraviolett (XUV) abgebildet. Die Ergebnisseeines Experiments am Freie-Elektronen-Laser FLASH weisennach, dass bisherige Modellvorstellungen unvollständig sind,und demonstrieren zugleich einen experimentellen Zugang zubestimmten chemischen Prozessen im Universum.Freie-Elektronen-Laser revolutionieren die experimentellenMöglichkeiten in diesem Feld: Während die meisten Moleküleim sichtbaren Licht intakt bleiben und sich allenfalls zu höhererchemischer Aktivität anregen lassen, platzen sie unter XUVoderRöntgenstrahlung häufig in ihre Bestandteile auf. Die Elektronendes Moleküls nehmen dabei die Energie eines Strahlungsquantsauf und es entsteht ein energiereiches, instabilesGebilde, das innerhalb kürzester Zeit zerfällt. Dabei ordnen sichdie Atome neu an oder fliegen als Bruchstücke – kleinere Moleküleoder auch Atome – weg. Diese Prozesse sind von großerBedeutung für chemische Reaktionsketten und -zyklen in interstellarenMolekülwolken und im frühen Universum, aberauch in der hohen Atmosphäre und in industriellen Plasmen.Ziel des Experiments war es, den Aufbruch einzelner Moleküledurch die Wechselwirkung mit den intensiven Strahlungspulsenvon FLASH zu beobachten und möglichst alleBruchstücke in ihrer Bewegung und ihrem inneren Zustand zuvermessen. Hierzu brachten die Forscher Molekülionen auf hoheGeschwindigkeit. Während des schnellen Fluges wurde ihr Zerfalldurch die Wechselwirkung mit der energiereichen Strahlungvon FLASH ausgelöst. Die Bruchstücke flogen dann ineinem engen Winkelbereich nach vorne weiter, jedes einzelnehatte dabei genug Energie, um auf Nachweisgeräten zuverlässigabgebildet zu werden.In den ersten Experimenten bei FLASH wurde das Verhaltenvon Heliumwasserstoff-Ionen (HeH + ) erforscht. In denExperimenten wurde untersucht, inwieweit das Auseinanderbrechender Moleküle von der Polarisation der Strahlung abhängt,also der Richtung, in der die Strahlung schwingt.Zerbricht das Molekül entlang der Polarisation der FLASH-Blitze, so erhält man ein langsameres und ein schnelleres Fragment,welche nacheinander auf den Detektor auftreffen.Umgekehrt werden beim Aufbruch senkrecht zur Polarisationdie Fragmente praktisch zeitgleich an verschiedenen Orten aufdem Detektor nachgewiesen.Das Ergebnis der Messungen ergab nun eine Überraschung:Die bisher theoretisch betrachteten Molekülzustände hatten fürdiesen Prozess einen Aufbruch entlang der Polarisation vermutenlassen. Dagegen fand die Kollaboration um die Max-Planck-Forscher überwiegend senkrecht zur Polarisation gerichteteFragmente, was darauf hindeutet, dass bei Modellrechungenviele der wesentlichen Molekülzustände von HeH + für diesenProzess bisher nicht genug Beachtung gefunden haben unddass bereits ein einfaches System wie HeH + überraschende Ergebnisseliefert.Die Messungen bei FLASH demonstrieren eine Methode,Molekülfragmentation durch energiereiche Strahlung abzubilden.In Zukunft wollen die Forscher diese Prozesse auch beikomplexeren Molekülen untersuchen. Die so zu gewinnendenDaten sind von weitreichender Bedeutung z. B. für die Frage derSynthese organischer Moleküle im interstellaren Raum undihrer Überlebensfähigkeit in den Strahlungsfeldern dort.Linke Abbildung:Aufbruch der chemischenBindung des MolekülionsHeH + durch extremesUltraviolettlicht bei 32nm Wellenlänge parallel(a) und senkrecht (b) zurPolarisationsrichtung derPhotonen (blauer Doppelpfeil)Rechte Abbildung:Flugzeiten und Orte dernachgewiesenen Fragmente.Die Farbskala (vonblau nach rot) gibt dieHäufigkeit der Ereignissean. Es wird vorzugsweiseein Aufbruch des Molekülssenkrecht zur Polarisation(Doppelpfeil)beobachtet. Die Ereignisseformen einen Ring,dessen Radius Auskunftüber die Energiebilanz derReaktion liefert.WissenschaftlicheVeröffentlichung:H. B. Pedersen, S. Altevogt,B. Jordon-Thaden,O. Heber et al.: CrossedBeams PhotodissociationImaging of HeH + withVacuum Ultraviolet Free-Electron Laser Pulses.Physical Review Letters,Vol. 98, 223202 (2007)Synchrotronstrahlung 2009 35

INDUSTRIELLE ANWENDUNGENMit brillanten Einsichten zum industriellen ErfolgForschung mit Synchrotronstrahlung stellt ein wichtigesInstrument für eine Vielzahl von anwendungsorientiertenUntersuchungen dar.Die einzigartigen Eigenschaften von Synchrotronstrahlungwerden für zahlreiche Anwendungsbereiche genutzt, die zumTeil eine große gesellschaftliche Herausforderung darstellen.Das Spektrum der untersuchten Systeme reicht von winzigenNanostrukturen für die Chipherstellung bis hin zu Bauteilen fürdie Flugzeugindustrie. Praktisch alle wesentlichen Methoden,die an Synchrotronstrahlungsquellen verfügbar sind, kommendabei zum Einsatz.Beispiele industrieller Anwendung sind:• Wasserstofftechnologie: Die Notwendigkeit, den Ausstoßdes Treibhausgases Kohlendioxid bei der Energieerzeugung zuverringern, erfordert neue Materialien mit maßgeschneidertenEigenschaften sowie darauf abgestimmte neue Herstellungstechnologien.Eine große Herausforderung stellt beispielsweisedie Entwicklung neuer Materialien für die Speicherung vonWasserstoff mit hoher Dichte bei geringen Kosten und geringemGewicht dar. Eine weitere wichtige Aufgabe besteht in derOptimierung der Technologie von Brennstoffzellen. AnomaleBeugung und Spektroskopie mit Synchrotronstrahlung in einemweiten Energiebereich, z. T. in-situ, d. h. während des Betriebs,liefert entscheidende Informationen für die Entwicklung dieserZukunftstechnologien.• Leichtbauweise: Steigende Energiepreise und wachsendesUmweltbewusstsein stellen ständig neue Anforderungen anMaterialien, Bauteile und ihre Herstellungsprozesse. NachhaltigeMobilität erfordert zur Energieeinsparung neue Leichtbaukonzepte,die auf umweltfreundlichen lasttragendenMaterialien und besseren Fügetechnologien für den Bau vonFahrzeugen und Flugzeugen inklusive ihrer Antriebseinheitenberuhen. Zur Charakterisierung und Optimierung von Bauteilenund Schweißnähten liefern Messungen von inneren Spannungenund Texturen sowie Poren und Rissen mit Diffraktionund hochauflösender Tomographie mit Synchrotronstrahlungoft wesentliche Beiträge (siehe Forschungsbeispiel auf der rechtenSeite).• Medikamente und Implantate: Das Verständnis von Struktur,Dynamik, Selbstorganisation und Wechselwirkung von Biomaterieauf verschiedenen Längenskalen von Makromolekülenüber Membranen bis zu ganzen Zellen auf molekularer und atomarerEbene ist die Basis für ein besseres Verständnis von physiologischenProzessen, für die Heilung von Krankheiten sowiebessere und spezifischere Medikamente. Neue bioverträglicheMaterialen ermöglichen haltbarere Implantate, die in eineralternden Gesellschaft von großer Bedeutung sind. Proteinkristallographie,Röntgenmikroskopie- und Computertomographie,sowie Photonenkorrelationsspektroskopie mit Synchrotronstrahlungtragen entscheidend zu dieser Forschung bei.• Miniaturisierung: Die Informationstechnologie sowie dieneuen Technologien auf Basis von Nano- und Biosystemen sindvon ständig wachsender Bedeutung in vielen Lebensbereichen– von der Kommunikationstechnologie bis zur medizinischenTechnologie. Der ständige Bedarf an weiterer Miniaturisierungund Funktionalisierung geht dabei einher mit einem wachsendenBedarf an Charakterisierungsmethoden von Nanomaterialienauf verschiedenen Skalen bis zur atomaren Ebene und vondynamischen Prozessen auf verschiedenen Zeitskalen. Streuungunter streifendem Einfall wie etwa an Spintronik-Bauelementen,hochauflösende Spektroskopie sowie die Nutzung vonFemtosekunden-Röntgenpulsen liefern wesentliche Informationenüber die Struktur und das zeitliche Verhalten von Nanostrukturen.Dabei wird teilweise Synchrotronstrahlung mitStrahldurchmessern im Mikro- und Nanometerbereich genutzt,um eine hohe Ortsauflösung zu erzielen.In all diesen Beispielen kann Synchrotronstrahlung wesentlicheEinsichten liefern, die mit Hilfe anderer Methodennicht gewonnen werden können. Zu den Nutzern von Synchrotronstrahlungzur anwendungsorientierten Forschung zählendabei Hochschulen und außeruniversitäre Forschungseinrichtungenebenso wie Industrieunternehmen, die Synchrotronstrahlzeitim Rahmen von industrieller Forschung undEntwicklung oder zur Qualitätskontrolle kaufen. Um den speziellenAnforderungen von Industriekunden gerecht werden zukönnen, unternehmen die Quellenbetreiber besondere Anstrengungen.Hierzu gehört die Bereitstellung von speziell geschultemPersonal für die komplette Abwicklung von kurzfristigenIndustrieaufträgen, einschließlich der Interpretation der Messergebnisseund dem Abschluss von Geheimhaltungsverträgen.36 Synchrotronstrahlung 2009

Synchrotronstrahlung überwacht SchlankheitskurenMittels Synchrotronstrahlung im Röntgenbereich untersuchenForscher neue Schweißmethoden für den Flugzeugbau.Das Ziel sind leichtere Flugzeuge, die wenigerTreibstoff verbrauchen.Flugzeugbauer gehen mehr und mehr dazu über, metallischeVerbindungen in Flugzeugen zu schweißen und so die klassischeVerbindungstechnik des Nietens zu ersetzen. Schweißverbindungenhaben entscheidende Vorteile gegenüber Nieten:Sie sind schneller zu produzieren, sie können Probleme mit Korrosionreduzieren und sie verringern das Gewicht des Flugzeugs.Um bis zu einem Kilogramm pro Meter Naht können Flugzeugedurch das Schweißen leichter werden. Insbesondere die Gewichtsreduzierungspielt eine bedeutende Rolle, da sie zu geringeremTreibstoffverbrauch und höherer Nutzlast führt.Als Schweißverfahren für die im Flugzeugbau verwendetenAluminiumlegierungen eignen sich insbesondere das Reibrührschweißenund das Laserstrahlschweißen.Das Reibrührschweißen wurde erst zu Beginn der 1990erJahre entwickelt. Da es sich hierbei um einen Festkörperprozesshandelt, bei dem die zu verbindenden Metalle nicht schmelzen,sondern bei erhöhter Temperatur miteinander verrührt werden,haben diese Verbindungen hervorragende mechanische Eigenschaften.Insbesondere lassen sich auch Aluminiumlegierungenverbinden, die mit herkömmlichen Schmelzschweißverfahrennicht oder nur sehr schlecht geschweißt werden können. Diesmacht das Reibrührschweißen nicht nur für den Flugzeugbau,sondern auch für andere Industriezweige interessant.In einem weltweit bislang einzigartigen Versuchsaufbau hatdas GKSS-Forschungszentrum die leistungsfähige Reibrührschweißanlage„Flexi-Stir“ (siehe Abbildung) für In-situ-Versuchean seiner Hochenergie-Beamline HARWI-II an DORIS IIIbei DESY installiert. Das Projekt wird im Rahmen des virtuellenInstituts IPSUS (Improving Performance and Productivity ofIntegral Structures through Fundamental Understanding ofMetallurgical Reactions in Metallic Joints) von der Helmholtz-Gemeinschaft gefördert.Hohe Röntgenenergien sind erforderlich, da sich nur so diezu schweißenden Bleche durchdringen und die Veränderungendes Werkstoffs in der unmittelbaren Nähe des Schweißwerkzeugsstudieren lassen. Zwar lassen sich viele Aspekte auch„post mortem“ an nach dem Schweißen erkalteten Material untersuchen,jedoch kann man dynamische Effekte, die nicht nurdurch das Temperaturfeld, sondern auch durch dessen zeitlicheund örtliche Variation sowie den Materialfluss während desRührens zustande kommen, nur in-situ, d. h. während desSchweißens untersuchen. Auf diese Weise kann man wichtigeInformationen für die Prozessmodellierung erlangen, die für dieOptimierung des Schweißprozesses wesentlich ist. Nur hochintensiveSynchrotronstrahlung ermöglicht eine hinreichendschnelle Messung für derartige In-situ-Experimente.Laserstrahlschweißen wird heute im Flugzeugbau erst anwenigen Stellen des Flugzeugrumpfes eingesetzt. Die Mikro-Computertomographie bietet für die Untersuchung vonLaserschweißnähten exzellente Möglichkeiten. Bei der Computertomographierekonstruiert ein Computer Objekte dreidimensionalaus einer Vielzahl einzelner zweidimensionaler Projektionsbildern.Zwar gibt es heute bereits sehr leistungsfähigeLabortomographen, die mancherorts in der Industrie eingesetztwerden, jedoch bleibt diesen Geräten ein Bereich verschlossen,zu dem man nur mit sehr intensiver monochromatischer SynchrotronstrahlungZugang hat. Mit letzterer kann man so hoheDichteauflösungen erzielen, dass sich beispielsweise zwei verschiedeneAluminiumlegierungen und die Schweißnaht unterscheidenlassen. Das Material der Schweißnaht lässt sich in demdreidimensionalen Datensatz entfernen, so dass man z. B. Poren(in der Abbildung blau dargestellt) sichtbar machen kann. Diedabei heute routinemäßig erreichbare Ortsauflösung liegtbereits bei einem Mikrometer. Damit kann beispielsweise dieAusbreitung von Rissen in einer Schweißnaht und deren Wechselwirkungmit vorhandenen Poren als Funktion der Schweißparametermit dem Ziel der Prozessoptimierung untersuchtwerden.Linke Abbildung:Die Reibrührschweißapparatur„FlexiStir“ ander Hochenergie-BeamlineHARWI-II@DESY.Die Maschine wird zumSchweißen auf 60° gekippt,damit der Röntgenstrahldie Schweißnahtdurchdringen und zumDetektor gelangen kann.Rechte Abbildung:Tomographische Rekonstruktioneines Bereicheseiner Laserschweißverbindungvon zwei Aluminium-Legierungen.Verschiedene Grauwerterepräsentieren verschiedeneMaterialdichten(1, 2 und 3). Der Ausschnittzeigt sichtbargemachte Poren in derSchweißnaht.WissenschaftlicheVeröffentlichungen:[F. Beckmann et al.,Adv. Eng. Mat. 9 (2007)939-950J. Herzen et al., Proc. ofSPIE 7078 (2008) 70781VSynchrotronstrahlung 2009 37

BESSY IIam Helmholtz-Zentrum BerlinDer Elektronenspeicherring BESSY II des Helmholtz-ZentrumsBerlin für Materialien und Energie (HZB) ist nun seit überzehn Jahren in Betrieb und ist immer noch die einzige deutscheSynchrotronstrahlungsquelle der dritten Generation. Der Ausbauder Nutzereinrichtungen war sehr rasant. Bereits zwei Jahrenach Beginn des Nutzerbetriebs waren 29 Strahlführungen inBetrieb und weitere 13 im Aufbau. Heute ist der Platz in derExperimentierhalle rar, denn mit rund 50 Strahlführungen undebenso vielen speziellen Experimentiereinrichtungen ist derVollausbau nahezu erreicht.BESSY II stellt rund 25 % der europäischen Forschungsinfrastrukturim XUV-Bereich (extremes Ultraviolett). Dabei kannBESSY II auf einen selbst für Synchrotronstrahlungsquellen extrembreiten Spektralbereich zurückgreifen, der von Terahertzbiszur harten Röntgenstrahlung (0,0006 – 150.000 eV) reicht.Dies wird durch zwei Entwicklungen ermöglicht: Zum einendurch die Möglichkeit, den Speicherring im sogenannten Low-Alpha-Modus zu betreiben, wodurch BESSY II als erste Quelle inder Welt kohärente Synchrotronstrahlung im fernen Infrarotund Terahertzbereich erzeugen kann. Der Bereich der hartenRöntgenstrahlung wird durch den Einsatz von supraleitendenMagnetstrukturen erreicht, von denen der 17-polige 7-Tesla-Wiggler herausragt.Durch die enorme Breite des Spektralbereichs sind an BESSYII Methoden möglich, die man vorher nur an mehreren unterschiedlichenSynchrotronstrahlungsquellen nutzen konnte oderdie gar nicht möglich waren: beispielsweise Proteinkristallo-graphie, Röntgentomographie, und -fluoreszenzanalyse sowieenergie-dispersive Diffraktion bzw. THz-spektroskopischeUntersuchung von Hochtemperatursupraleitern. So können nundie Struktur von Proteinen und Werkstoffen bestimmt undzerstörungsfreie Materialanalysen an industriellen Werkstoffenoder Kunstobjekten durchgeführt werden.Auch im XUV-Spektralbereich, für den BESSY II optimiertist, haben sich besonders durch den Einsatz elliptischer Undulatorenneue experimentelle Möglichkeiten eröffnet. Diese komplexenMagnetanordnungen werden vom HZB an vordersterFront entwickelt und erlauben die volle Kontrolle über die Richtungund Art der Polarisation der erzeugten Strahlung. DieseOptionen kommen jedoch erst durch die entsprechenden Monochromatorenund Strahloptiken richtig zu Geltung. Das anBESSY II entwickelte Design wird nun von führenden Hardwareherstellern(FMB, Jenoptik) in Lizenz für ihre Produkte eingesetzt.Ein besonderer elliptischer Undulator kommt beimFemtosekunden-Slicing-Aufbau zum Einsatz. Hier können mitHilfe eines Hochleistungslasers polarisierte Röntgenpulse vonetwa 120 Femtosekunden Pulsdauer generiert werden. Damitsind erstmalig ultraschnelle Magnetisierungsprozesse spektroskopischuntersucht worden. Da für diese Experimente nur einElektronenpaket im Speicherring verwendet wird, bietet BESSYII seit einiger Zeit den Hybrid-Betriebsmodus an, bei dem indie normalerweise vorhandene Lücke in der Ringfüllung ein einzigesElektronenpaket eingeführt wird. Damit beeinflussendie Nutzer am Femtoslicing-Messplatz nicht die Ergebnisse deranderen Nutzer.Die Methodenentwicklung für bildgebende Verfahrenbildet einen besonderen Schwerpunkt bei BESSY II. Die Röntgenmikroskopiemit Hilfe von Fresnellinsen erlaubt die 3D-Darstellungvon Zellen bis zu einer Auflösung von weniger als 15Nanometern, ohne zusätzliche Kontrastmittel einsetzen undohne Schnitte anfertigen zu müssen. Die Röntgenholografie isteine weitere vielversprechende Methode, um Mikroskopie mitkurzen Pulsen zu betreiben und damit dynamische Prozesse abzubilden– z. B. durch den Einsatz an einem Freie-Elektronen-Laser. Mit der spinaufgelösten Photoelektronenmikroskopie(SPEEM) kann hervorragend Domänenbildung in magnetischenMaterialien verfolgt werden. Darüber hinaus stehen Messplätzefür THz-Nahfeldmikroskopie, Infrarotmikroskopie und Rönt-38Synchrotronstrahlung 2009

gentomografie sowie konfokale Röntgenfluoreszenzanalysenzur Verfügung.Ein wichtiger und langjähriger Partner ist die Physikalisch-Technische Bundesanstalt, durch die BESSY II das europäischeStrahlungsnormal für Kalibrierungen von Lichtquellen und Detektorenwurde und die damit Meilensteine in der Photonenmetrologiegesetzt hat. Jüngster Spross dieser Zusammenarbeitist die neue „Metrology Light Source“ in Berlin-Adlershof, einNiederenergiespeicherring, der vom früheren BESSY konzipiertund gebaut wurde und von der PTB seit 2007 betrieben wird.Weitere Kooperationspartner sind die Bundesanstalt fürMaterialforschung und -prüfung (BAM), die Max-Planck-Gesellschaft, das IFW Dresden, das Max-Born-Institut, das ForschungszentrumJülich, das Max-Delbrück-Centrum sowiemehrere Universtäten, darunter auch die Universitäten ausMoskau und St. Petersburg, die an dem Konsortium Russisch-Deutsches Strahlrohr beteiligt sind. Zahlreiche Kooperationspartnerkommen aber auch aus der Industrie insbesonderedurch die Aktivitäten des „Anwenderzentrum für Mikrotechnik“(AZM). Hier werden Verfahren für die Herstellung mikromechanischerPräzisionsbauteile entwickelt und für die Industrie bereitgestellt.Dazu gehören Zahnräder und Präzisionsgetriebe,hydrophobe Oberflächen und Mikroreaktoren, die durch Nanostrukturierungmit lithographischen Verfahren hergestellt werden.Auch ist das „Vergegenständlichen“ von Hologrammenmöglich, die als diffraktive optische Elemente zur Strahlformungund Justierung von Lasern eingesetzt werden.Als Betreiber einer nationalen Strahlungsquelle arbeitet dasHZB an der Entwicklung zukünftiger Strahlungsquellen. So istdas HZB an der Entwicklung eines supraleitendenden Photoinjektorsbeteiligt. In dem HoBiCaT-Teststand werden supraleitendeKavitäten auf ihre Tauglichkeit für den Dauerstrichbetriebgetestet. Außerdem wird das HGHG- und HHG-basierte Impfenvon Freie-Elektronen-Lasern wie bei FLASH II in Hamburg untersucht.Schließlich entwickelt das HZB einen Prototypes einesEnergy-Recovery-Linac (BERLinPro) – das derzeit einzige Projektdieser Art in Deutschland.Zurück zum Beginn: Vor zehn Jahren unterzeichnetenBESSY und das Hahn-Meitner-Institut einen Kooperationsvertragüber die Intensivierung der wissenschaftlich-technischenZusammenarbeit. Aus der Kooperation wurde eine Fusion undals neues „Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie“leistet man seit 2009 gemeinsam Beiträge zur Lösunggroßer und drängender Fragen von Gesellschaft, Wissenschaftund Wirtschaft.Synchrotronstrahlung 200939

DORIS III und PETRA IIIam Helmholtz-Zentrum DESY in HamburgBei DESY steht für Experimente mit harter Röntgenstrahlungder Speicherring DORIS III mit 33 Strahlführungen und 40Experimentierplätzen zur Verfügung. Der Speicherring DORIS IIIhat einen Umfang von etwa 300 Metern und wird bei einer Teilchenenergievon 4,45 GeV betrieben. Auf etwa 5.000 StundenMesszeit können hier Nutzer im Jahr zurückgreifen – größtenteilsfür Experimente mit harter Röntgen-, aber auch mit ultravioletterStrahlung. Diese Synchrotronstrahlungsquelle bietetsehr gute Möglichkeiten für Experimente, die einen hohen Photonenflussim harten Spektralbereich benötigen wie zumBeispiel die Katalysatorenforschung oder die Materialwissenschaften.DORIS III wird jährlich von etwa 2.200 Wissenschaftlernund Ingenieuren für Experimente genutzt. Je ein Drittel derMessgäste arbeitet im Bereich der Strukturbiologie bzw. demder Materialwissenschaften, das restliche Drittel verteilt sichauf andere Wissenschaftsgebiete wie die Physik, Chemie, Umwelt-und Geowissenschaften sowie Medizin.Die Experimente für Strukturbiologie werden hauptsächlichvon der Außenstation des europäischen Labors für MolekularbiologieEMBL (Heidelberg) betrieben, mit Beiträgen derUniversitäten Hamburg und Lübeck. Einen weiteren strukturbiologischerMessplatz unterhalten die Max-Planck-Arbeitsgruppenfür Strukturbiologie. Die Helmholtz-Zentren GKSS(Geesthacht) und GFZ (Potsdam) betreiben an DORIS III jeweilsspezialisierte Messplätze für die Material- und Geoforschung.Darüber hinaus experimentieren verschiedene Universitätsgruppen(vor allem aus Hamburg) an DORIS III – für die Nutzergemeindeund für ihre eigene Forschung.Ab dem Jahr 2010 wird bei DESY die neue SynchrotronstrahlungsquellePETRA III für Experimente mit harter und sehrbrillanter Röntgenstrahlung an 14 Strahlführungen und etwa30 Experimentierplätzen bereitstehen.Der umgerüstete 2,3 Kilometer lange Speicherring PETRAIII, der bislang als Vorbeschleuniger für die Teilchenphysikdiente, wird die brillanteste Speicherring-Röntgenstrahlungsquelleder Welt sein. Nach vollständiger Inbetriebnahme sollPETRA III rund 5.000 Stunden Messzeit für Nutzerexperimenteanbieten. Für die Umrüstung wurden knapp 300 Meter desSpeicherrings komplett umgebaut und eine neue 280 Meterlange Experimentierhalle errichtet. PETRA III wird mit einer Teilchenenergievon 6 GeV betrieben und energiereiche Röntgenstrahlungbis über 100 keV Photonenenergie mit besondershoher Leuchtstärke liefern. So wird diese Strahlung auf einerFläche von einem einzigen Quadratmillimeter einen ebensohohen Photonenfluss liefern wie DORIS III heute auf einigenQuadratzentimetern.PETRA III wird exzellente Forschungsmöglichkeiten für dieNanowissenschaften und die Nanotechnologie bieten, die extremkleine Proben untersuchen und Informationen mit bishernicht erreichter Auflösung über die Anordnung der Atome gewinnenmöchten. Molekularbiologen werden an PETRA III auchmit Hilfe sehr kleiner Kristalle die dreidimensionale Struktur vonProteinen bestimmen können und damit dabei helfen, derenFunktion im Organismus aufzuklären. Die sehr klein fokussiertenRöntgenstrahlen an PETRA III werden es in Chemie, Umweltforschungund Materialwissenschaften unter anderemerlauben, Informationen über das Innere von Proben und Werkstückenmit sehr hoher räumlicher Auflösung zu messen, ohnediese dabei zu zerstören.Zum Bau und Betrieb der Strahlführungen an PETRA III tragendas EMBL (Strukturbiologie), das GKSS-Forschungszentrum(Materialwissenschaften), die Max-Planck-Gesellschaft, der ForschungsbereichGesundheit der Helmholtz-Gesellschaft sowiedie Universitäten Hamburg und Lübeck bei.Die externen Nutzer der DESY-Photonenquellen kommenzum größten Teil aus Universitäten, aber auch von außeruni-40 Synchrotronstrahlung 2009

versitären Forschungseinrichtungen wie der Max-Planck- oderder Leibnitz-Gesellschaft. Über das EU-Programm „Access toResearch Infrastructures“ wird der Zugang von Forschern ausEU-Staaten durch Übernahme der Reisekosten und Beiträgenzu den Betriebskosten erleichtert. Die Aktivitäten auf dem Gebietder Forschung mit Photonen bei DESY haben sich in engerZusammenarbeit mit Universitätsgruppen entwickelt. Die Kooperationmit den physikalischen Instituten der UniversitätHamburg und anderen Universitäten in Norddeutschland istdabei besonders eng. Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen vonDESY beteiligen sich auch an der Ausbildung von Studierenden.Bei den DESY-Speicherringquellen ist langfristig geplant, die Experimentiertechnikenim Bereich harter Röntgenstrahlung anPETRA III weiter auszubauen. Dabei handelt es sich vorwiegendum Experimente, die bisher nur an DORIS III betrieben werden.Darunter fallen unter anderem Techniken unter Einsatz sehrharter Röntgenstrahlung im Bereich der ingenieurwissenschaftlichenMaterialforschung (Textur- und Spannungsuntersuchungen)und der Absorptionsspektroskopie (z. B. Katalyseforschung).In Summe sollen die Experimentiermöglichkeitenbei PETRA III um 5 bis 10 Strahlführungen erweitert werden.Hierbei kann ein großer Teil der bei DORIS III vorhandenen Instrumentierungwiederverwendet werden. Dieser Ausbau vonPETRA III wird es erlauben, DORIS III mittelfristig stillzulegen.Im Bereich der Infrastruktur für Forschung mit Photonenbei DESY wurden verschiedene Maßnahmen begonnen, anderesind in der Planung. So ist in naher Zukunft der Aufbau einesNano-Labors im Umfeld von PETRA III und FLASH (siehe Seite44) geplant, um Synchrotronstrahlungsexperimente an nanoodernanostrukturierten Proben zu ermöglichen bzw. zu komplementieren.Dieses Labor soll zum einen die lokale Expertiseund Forschungsmöglichkeiten bei DESY für derartige Untersuchungenstärken und zum anderen den Nutzern der DESY-Photonenquellendie Vorbereitung und Durchführung ihrer Experimenteerleichtern. Mit einer analogen Zielsetzung plantGKSS das „Engineering Materials Science Center at DESY“, dasMöglichkeiten zur Probenvorbereitung und – charakterisierung,verschiedene In-situ-Probenumgebungen sowie Nutzerunterstützungbei der Datenanalyse anbieten wird.Im Bereich der Lebenswissenschaften ist bei DESY unterFederführung des Helmholtz-Instituts für Infektionsforschung(HZI, Braunschweig) und der Universität Hamburg ein „Centerfor Structural Systems Biology“ (CSSB) geplant, welches vorallem die neuen Messmöglichkeiten für Strukturbiologie beiDESY nutzen wird. Eines der Hauptarbeitsgebiete dieses Zentrumssoll die Infektionsforschung sein. Zusätzlich zu den beidengenannten haben folgende Institutionen eine Beteiligungam CSSB zugesagt: das Forschungszentrum Jülich, die Leibniz-Institute Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin, Heinrich-Pette-Institut für experimentelle Virologie und Immunologieund das Forschungszentrum Borstel sowie die UniversitätenLübeck und Kiel und die Medizinische Hochschule Hannover.Synchrotronstrahlung 2009 41

ANKAam Forschungszentrum KarlsruheDie Synchrotronstrahlungsquelle ANKA (ÅngströmquelleKarlsruhe) wird als nationale Quelle und zentrale Einrichtungdes Forschungszentrums Karlsruhe (FZK) betrieben. An den 14Strahlführungen des Speicherrings (2,5 GeV) stehen 21 Experimentiereinrichtungenzur Verfügung. Seit Beginn des regulärenNutzerbetriebs im Jahr 2003 hat die Zahl der Nutzer jedesJahr drastisch zugenommen. Bisher wurde mehr als 1.100 NutzerprojektenStrahlzeit zugewiesen. Allein im Jahr 2007 habenrund 640 Nutzer Experimente an ANKA durchgeführt.Die gegenwärtige Strategie von ANKA setzt die folgendenvier Schwerpunkte:• Betrieb und Optimierung als nationale Synchrotronstrahlungsquellemit sehr guter Nutzerbetreuung und Peer-Review-Auswahl sowohl für interne als auch externe internationaleNutzergruppen, Schwerpunktsetzung bei Instrumentierungund Infrastruktur in ausgewählten Forschungsbereichen,profilierte Eigenforschung in speziellen Gebieten,• Optimierung einzigartiger Instrumentierungen in den BereichenNano- und Mikrotechnologie, Festkörper-, Biogrenzflächen-und Aktinidenforschung, Forschung mit Infrarot- undTerahertz-Strahlung sowie die Entwicklung von supraleitendenUndulatoren,• Aufbau und Betrieb einer erweiterten Nutzerplattform anANKA durch Ausbau und Einbindung einer breiten Palette vonHerstellungs- und Analyseeinrichtungen in den Nano- und Mikrowissenschaftenim Rahmen der „Karlsruhe Nano Micro Facility“(KNMF),• Beteiligung an der Entwicklung neuer Synchrotrontechnologienfür Lichtquellen der dritten und vierten Generation.Die ursprünglich angestrebte überwiegende Erbringung vonDienstleistungen für die Wirtschaft in den Bereichen Mikrofertigungund -analytik wurde zugunsten der obigen Strategieaufgegeben. Kommerzielle Dienstleistungen werden heute vonder Stabsabteilung ANKA-CoS (Commercial Service) des FZKund der ausgegründeten Firma Microworks angeboten. Die Mikrofertigungmittels Röntgentiefenlithographie ist ein Highlightvon ANKA und ein fundamentaler Beitrag des Instituts fürMikrostrukturtechnik zur Entwicklung mikrooptischer undröntgenoptischer Bauelemente.Zu den Schwerpunkten von ANKA zählt die Aktinidenforschung.Das Institut für Nukleare Entsorgung des FZK (INE) verfügtüber eine Experimentierstation für Röntgenabsorption, dieWissenschaftlern einzigartige Experimentierbedingungen bietet.Dies wird durch eine Umgangsgenehmigung für radioaktiveMaterialien sowie durch die im benachbarten Institutvorhandenen Handschuhboxen für den Umgang mit hochaktivenMaterialien ermöglicht.Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Festkörperforschung.Diese erfolgt am Strahlrohr WERA des Institutsfür Festkörperphysik des KZF mit verschiedenen spektroskopischenMethoden einschließlich der Mikrospektroskopie imWeichröntgenbereich, außerdem wird sie am Strahlrohr desMax-Planck-Instituts für Metallforschung in Stuttgart betrieben.Das Institut für Synchrotronstrahlung des KZF ist für denGroßteil des Strahlrohrprogramms verantwortlich. Jüngste Entwicklungensind die im Aufbau befindlichen Strahlrohre NANOund IMAGE, die an supraleitenden Undulatoren installiert werden.An NANO sind hochauflösende Röntgenbeugungs- undOberflächen-/Grenzflächenstreuungs-Experimente vorgesehen.Damit lassen sich dünne Schichten, Vielschichtsystemen undnanostrukturierten Materialien untersuchen. Mit IMAGE wirddie In-situ- und Echtzeit-Charakterisierung von Proben mittelsbildgebender Verfahren ermöglicht.Des Weiteren wird derzeit das Nanolab@ANKA aufgebaut,das zur Herstellung, komplementären Charakterisierung undOberflächenanalytik von Nanostrukturen und Nanomaterialieneingerichtet wird. Herstellung und Analyse von nano- und mi-42 Synchrotronstrahlung 2009

krostrukturierten Proben aller Art werden zunehmend auch imRahmen der gemeinsamen Nutzerplattform „Karlsruhe NanoMicro Facility“ (KNMF) stattfinden. In der KNMF wird in drei engmiteinander verbundenen „Laboren“ für Nanofabrikation, hochauflösendeMikroskopie und Spektroskopie und für Synchrotroncharakterisierungeine flexible Nutzerplattform (LK II) fürexterne Nutzer eingerichtet, die in einem Peer-Review-Verfahren Zugang zu fortgeschrittenen Herstellungs- und Analysemethodenfür eine breite Palette von Materialien erhalten.Die enge Zusammenarbeit des Instituts für Synchrotronstrahlungmit dem Institut für Technische Physik am KZF hatzur Entwicklung supraleitender Undulatoren mit einer sehr kurzenPeriodenlänge geführt. Hier hat sich ANKA eine weltweitführende Position erarbeitet. Die Ausstattung von ANKA mit supraleitenden,elektrisch schaltbaren, planaren oder helikalenUndulatoren ist auf dem Wege. Diese Aktivitäten dienen auchder Entwicklung der supraleitenden Undulatortechnologie füranderer Synchrotronstrahlungsquellen.Die Forschungsaktivitäten im Bereich Infrarotspektroskopiesind geprägt von einer engen Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und vonForschungsarbeiten der ANKA-Beschleunigergruppe zur Erzeugungkohärenter Terahertzstrahlung. Für Speicherringe rekordverdächtige,extrem kurze Pulslängen von 500 Femtosekundenführen zur Emission von kohärenter Infrarotstrahlung. Neuespannende Mikroskopieverfahren – wie die kombinierte Nahfeld-Raster-IR-Nanospektroskopie,erweitern damit das Methodenspektrum.Für die nahe Zukunft strebt ANKA den Aufbau der neuenStrahlungsquelle „THz Beam Optics for New Experiments“(TBONE) an. In TBONE werden mit einem 100 MeV Linearbeschleunigerund Kompressoren extrem kurze Elektronenpaketemit Wiederholraten von 10 Megahertz erzeugt. Die nur 5 Femtosekundenkurzen Elektronenpakete strahlen kohärente Infrarot-und Terahertzstrahlung in einem großen Frequenzbereichvon 0,1 bis 150 THz mit einigen Megawatt Spitzenleistungab, die über Strahloptiken mehreren Experimentierstationen zurVerfügung gestellt werden. Diese neue Anlage dient einer sichgerade formierenden Nutzergemeinde als breitbandige Quellefür kohärente Infrarotstrahlung mit Megawatt-Spitzenleistung,als Testeinrichtung für supraleitende Undulatoren, als Testanlagefür neue Beschleunigertechnologien und als erste Stufeeines Injektors für ANKA mit Elektronen bei voller Energie.Das FZK wird gegenwärtig mit der Universität Karlsruhezum Karlsruher Institut für Technologie KIT verschmolzen undzu einer einzigartigen Forschungs- und Bildungseinrichtungausgebaut (derzeit etwa 8.000 Mitarbeiter; Grundbudget etwa600 Mio. Euro). Das außergewöhnliche Wissenschaftsumfeldvon KIT und seine vielseitige Infrastruktur werden auch denNutzern von ANKA zugute kommen.Synchrotronstrahlung 2009 43

FLASH und FLASH IIam Helmholtz-Zentrum DESY in HamburgFLASH (Freie-Elektronen-LASer in Hamburg) bei DESY inHamburg bietet fünf Messplätze, an denen im Wechsel Nutzer-Instrumente betrieben werden können. Seine intensiven, ultrakurzenLaserpulse ermöglichen vollkommen neue Experimentebei extrem hoher Zeitauflösung oder unter Ausnutzung der Kohärenzdes Laserlichtes.Der 260 Meter lange Freie-Elektronen-Laser FLASH ist dieerste Lichtquelle der Welt, die kurzwellige Laserstrahlung imSpektralbereich des Vakuum-Ultraviolett und der weichenRöntgenstrahlung mit hoher Spitzenleuchtstärke und ultrakurzenLichtpulsen liefert. FLASH kann auf jede Wellenlänge zwischenetwa 60 Nanometern und 6,5 Nanometern abgestimmtwerden. Kürzere Wellenlängen hat bisher kein anderer Freie-Elektronen-Laser erreicht. Während Synchrotronstrahlungsquellenbereits sehr stark gebündelte Strahlung liefern, erzeugtFLASH kohärentes Licht mit echten Lasereigenschaften, das sichpraktisch beugungsbegrenzt ausbreitet. Die Lichtblitze sind mit10 bis 50 Femtosekunden einen Faktor 1.000 kürzer als die modernerSynchrotronstrahlungsquellen, zudem ist ihre Spitzenleuchtstärkeum Größenordnungen höher. Herkömmliche Laserbieten in diesem Spektralbereich nur vergleichsweise geringeLeistungen. Die Spitzenleistungen von 10 Gigawatt pro Pulssind höher als alles, was heute selbst an den größten Plasma-Röntgenlaseranlagen der Welt erreicht werden kann.Die ultrakurzen Pulse von FLASH eignen sich vor allem zurzeitaufgelösten Untersuchung schneller physikalischer und chemischerPhänomene. Etwa die Hälfte aller Experimente beiFLASH nutzen diese Eigenschaft für verschiedenste Untersuchungenwie zum Beispiel der Photodissoziation von Molekülen,schneller struktureller oder magnetischer Phasenübergängeoder der dynamischen Entwicklung dichter Plasmen. Die hoheSpitzenleistung der FEL-Pulse ermöglicht erstmals, die Wechselwirkungkurzwelliger Strahlung mit Materie bei höchstenLeistungsdichten zu studieren. Die hohe Pulsenergie bzw. diegroße Anzahl der Photonen je Strahlungspuls erschließt zahlreicheweitere Anwendungen. Beispielsweise lässt sich einhochaufgelöstes Beugungsbild einer nichtkristallinen Probe miteinem einzigen Laserblitz aufnehmen (siehe Seite 33) oder eslassen sich extrem verdünnte Proben wie hochgeladene atomareIonen untersuchen, wie sie in Plasmen, z. B. in Supernovaüberrestenoder bei Experimenten zur Kernfusion, vorkommen.Der Betrieb der FLASH-Anlage liefert darüber hinaus auchwichtige Erkenntnisse für den zukünftigen Betrieb des EuropeanXFEL (siehe Seite 46). Viele technische und methodischeEntwicklungen werden direkt den Experimenten am EuropeanXFEL zugute kommen.Der Nutzerbetrieb an FLASH wurde im Sommer 2005 aufgenommen.Etwa 100 bis 150 Wissenschaftler aus aller Weltnutzen jährlich diese Quelle für neuartige Experimente, die ineinem Peer-Review-Verfahren ausgewählt werden. Die Ergebnissehaben weltweit große Beachtung gefunden – aufgrundzahlreicher neuer, oft unerwarteter Entdeckungen. In den erstendreieinhalb Jahren resultierten daraus etwa 50 wissenschaftlicheVeröffentlichungen in renommierten Fachzeitschriften.Jüngst wurde zusätzlich zu den Strahlführungen für ultraviolettesund weiches Röntgenlicht eine Strahlführung fürTerahertz (THz)-Strahlung in Betrieb genommen, die ab demJahr 2009 Nutzern zur Verfügung steht. Die THz-Strahlungspulsesind strikt synchron mit den FEL-Pulsen, da sie in einemspeziellen Undulator mit nur 10 Magnetperioden unmittelbarhinter dem FEL-Undulator von ein und demselben Elektronenpaketerzeugt werden. Sie sind genau 10 Wellenlängen lang undmit 1-2 Mikrojoule Pulsenergie intensiver als Pulse anderer44 Synchrotronstrahlung 2009

Quellen, weil die Elektronenpakete kürzer als die Wellenlängesind und aus diesem Grund kohärent abstrahlen. Die Kombinationvon FEL- und der THz-Pulsen ist einzigartig und erlaubtvöllig neuartige Experimente.Für das Jahr 2009 ist ein weiterer Ausbau von FLASH geplant.Der Linearbeschleuniger wird um ein siebtes Beschleunigungsmodulverlängert, um eine höhere Teilchenenergie(1,2 GeV) und damit kürzere Wellenlängen unter 5 Nanometernzu erreichen. Dadurch werden weitere Anwendungsgebiete erschlossen.Zusätzlich werden in den Beschleuniger spezielleBeschleunigungsstrukturen (3,9 GHz) eingebaut, die eine bessereKontrolle der Elektronenstrahleigenschaften erlauben werden.Dies schafft gleichzeitig die Voraussetzung für einSeeding-Experiment, für das zusätzliche Undulatoren undStrahlführungselemente in den Beschleunigertunnel eingebautwerden. In diesem Experiment wird der FEL nicht aus dem Rauschen,sondern mit kohärenten Harmonischen eines optischenLasers gestartet (= Seeding). Dadurch werden FEL-Pulse mitwohl definierter Pulsform erzeugt, die zudem strikt synchronmit dem optischen Seed-Laser sind und damit Experimente miteiner höheren zeitlichen Auflösung gestatten.Als weitere Ausbaustufe von FLASH wird eine Erweiterungder Anlage um einen zweiten Undulator angestrebt, welchervom gleichen Linearbeschleuniger mit Elektronenpaketen versorgtwird. Für dieses FLASH II genannte Projekt ist eine eigeneExperimentierhalle vorgesehen. FLASH II wurde als Ausbauprojektbei der Helmholtz-Gemeinschaft gemeinsam mit demHelmholtz-Zentrum Berlin (BESSY) beantragt. Ziel dieses Ausbausist die Erweiterung der Experimentierkapazitäten beiFLASH, um die starke Nutzernachfrage zu befriedigen und dieEntwicklung neuer Möglichkeiten von Freie-Elektronen-Lasern, die sich durch Anwendung verschiedener Seeding-Schemata(High Gain Harmonic Generation und High HarmonicGeneration) eröffnen. Diese Entwicklungen zielen auf eine dramatischeVerbesserung der Strahleigenschaften ab, insbesonderein Bezug auf die spektrale und zeitliche Pulsform und dieSynchronisation zu externen Lasern. Letztere sind vor allembei Anregungs-Abfrage-Experimenten (pump and probe) miteiner Zeitauflösung von besser als 0,5 Pikosekunden vonBedeutung.In unmittelbarer Nähe zu FLASH wird derzeit das „Centrefor Free-Electron Laser Science“ in Hamburg (CFEL) errichtet,welches von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der UniversitätHamburg getragen wird. Ziel von CFEL ist die Entwicklungvon Methoden zur Nutzung von Freie-Elektronen-Lasernsowie deren Anwendung auf verschiedenste Forschungsfelder.Die Freie und Hansestadt Hamburg unterstützt CFEL durch dieFinanzierung eines geeigneten Gebäudes für rund 300 Personenin Höhe von circa 50 Millionen Euro.Synchrotronstrahlung 2009 45

European XFELin Hamburg und SchenefeldAn der Grenze zwischen Hamburg und der schleswig-holsteinischenStadt Schenefeld entsteht die in Europa einzigartigeRöntgenlaseranlage European XFEL, ein Freie-Elektronen-Laser für harte Röntgenstrahlung. Mit einer Spitzenbrillanz, diemilliardenfach höher ist als die der heutigen Speicherringquellen,wird er Forscherinnen und Forschern verschiedener Wissenschaftsbereichesowie industriellen Nutzern aus der ganzenWelt einzigartige Bedingungen für ihre Untersuchungen bieten.Im Mittelpunkt steht die Erforschung von Nano- und Subnanostrukturenund deren Dynamik: Die kurzen Wellenlängen inder Größenordnung von Atomen (bis zu 0,085 Nanometer) unddie Kohärenz der Röntgenblitze gestatten die Untersuchung deratomaren Architektur von Biomolekülen, Werkstoffen und anderenMaterialien. Da jeder einzelne Blitz nur weniger als 100Femtosekunden (billiardstel Sekunden) lang und ausreichendlichtstark ist, werden Momentaufnahmen von ultraschnellenVorgängen möglich – etwa von der Bildung oder Lösung chemischerVerbindungen.Der European XFEL ist 3,4 Kilometer lang und hat weltweiteinzigartige Eigenschaften. Supraleitende Beschleunigertechnologieermöglicht einen Elektronenstrahl aus vielen Paketenund von besonders hoher Qualität. Der European XFEL bietetdamit als erster Röntgen-Freie-Elektronen-Laser die Möglichkeit,eine extrem hohe Spitzenbrillanz pro Blitz mit hohen Wiederholratenvon 30.000 Blitzen pro Sekunde zu kombinieren.Diese Kombination ist von großer Bedeutung für die Untersuchungbeispielsweise extrem schwacher Effekte oder extremverdünnter Systeme sowie für den gleichzeitigen Betrieb derExperimentierstationen an mehreren Strahlführungen.Der Beschleuniger liefert Elektronen mit einer Energie von17,5 GeV, die auf insgesamt fünf Undulatoren verteilt werden.Drei davon sind für die Erzeugung von FEL-Strahlung im Wellenlängenbereichvon 0,1 bis etwa 4 Nanometer ausgelegt, zweiweitere sind für spontane, sehr harte Röntgenstrahlung bestimmt.Die fünf, bis zu 1.000 Meter langen Röntgen-Strahlführungen,beinhalten Spiegel- und Monochromatorsystemeund münden in fünf große Experimentiergebiete, die jeweilsmehrere spezifisch ausgestattete Experimentierstationenaufnehmen können.Der Aufbau der Anlage ermöglicht eine große Flexibilität.Dies ist von besonderem Vorteil, da der European XFEL einigeJahre nach entsprechenden Anlagen in den USA und Japan(2009 bzw. 2011) seinen Betrieb aufnehmen wird. Die Berücksichtigungder Erfahrungen dieser ersten Generation von Röntgen-Freie-Elektronen-Laser-Quellenkann zu verbessertenBedingungen für Strahlparameter und den Nutzerbetrieb führen.Insbesondere sollen neue technische Lösungen (z. B. Impf-Konzepte für weiche Röntgenstrahlung oder Konzepte fürPulsdauern von wenigen Femtosekunden) integriert werdenkönnen.Die spezifischen Anforderungen von Experimenten mit FEL-Strahlung im Röntgenbereich erfordern zusätzliche Forschungund Entwicklung in den Bereichen Röntgenoptiken mit extremerFertigungsgenauigkeit sowie unter extremer Belastung,46 Synchrotronstrahlung 2009

Röntgenstrahldiagnostik für einzelne Pulse, Probenumgebungund -wechsel, Flächendetektoren sowie die Verarbeitung gewaltigerDatenmengen. Zusätzliche Anforderungen ergebensich aus der Erzeugung von FEL-Pulsen mit Wiederholraten biszu 5 MHz.Die wissenschaftliche Nutzung des European XFEL orientiertsich am Vorbild der ESRF (siehe Seite 48) mit den entsprechendenPeer-Review-Verfahren für die Auswahl der Experimentein den zur Verfügung stehenden etwa 4.000 Strahlzeitstundensowie mit einer vergleichbaren Unterstützung derNutzergruppen.Der European XFEL wird als eigenständiges internationalesProjekt mit starker Anbindung an das Helmholtz-Zentrum DESYrealisiert. Für den Bau und Betrieb der Anlage wird 2009 dieEuropean XFEL GmbH gegründet. An der GmbH sind nebenDeutschland (Bundesforschungsministerium sowie die LänderHamburg und Schleswig-Holsein) 13 weitere Staaten beteiligt.Neben Deutschland, dem als Sitzland eine besondere Rolle zukommtund das eine Beteiligung von etwa 50 % an denInvestitionskosten von 938 Millionen Euro hat, sind China,Dänemark, Frankreich, Griechenland, Großbritannien, Italien,Polen, Russland, Schweden, die Schweiz, die Slowakei, Spanienund Ungarn die Partner dieses internationalen Großprojekts. DieEuropean XFEL GmbH wird etwa 300 Mitarbeiter haben und denAufbau und den Betrieb der Undulatoren, Röntgenstrahlsystemesowie der Experimentiereinrichtungen und deren Infrastrukturbetreiben. Bau und Betrieb des supraleitendenBeschleunigers erfolgt durch ein internationales Konsortiumvon Instituten in den beteiligten Ländern unter der Federführungvon DESY.Anfang Januar 2009 begann der Bau der unterirdischenBauwerke. Die Inbetriebnahme des European XFEL ist für dasJahr 2014 und die Aufnahme des Nutzerbetriebs an den erstensechs Experimentierstationen für Ende 2015 geplant.Die internationalen Partner sind übereingekommen, denEuropean XFEL in einer ersten Phase mit reduzierten Merkmalenzu realisieren. Insbesondere sollen nur drei der fünf Undulatorenund Strahlführungen gebaut werden und lediglich sechsExperimentiereinrichtungen ausgestattet werden. Zudem siehtdiese Phase weitere Einschneidungen vor, etwa in den Bereichenoptische Laser, Experimenteinfrastruktur und Detektoren.Die ersten sechs Experimentierstationen wurden 2008 vorgestellt:Die SPB-Station (Single Particles, clusters and Biomolecules)dient der Strukturbestimmung einzelner Atome, Cluster,Biomoleküle, Viren und Zellen in der Gasphase mittels ultraschnellerkohärenter Diffraktionsabbildung. MID (Materials Imagingand Dynamics) zielt auf die Strukturbestimmung vonNanosystemen mittels abbildender Verfahren und die Untersuchungvon Vorgängen auf der Nanoskala mittels Photonenkorrelationsspektroskopie.An der Station FDE (FemtosecondDiffraction Experiments) werden zeitaufgelöste Untersuchungenultraschneller struktureller und elektronischer Dynamikenin Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen möglich sein. Die HED-Station (High-Energy Density matter) dient der Untersuchungvon Materie in extremen Zuständen. An der SQS-Station (SmallQuantum Systems) werden Wissenschaftler Atome, Ionen undCluster in starken Lichtfeldern inklusive nicht-linearer Phänomeneerforschen können und SCS (Soft X-ray Coherent Scattering)ermöglicht die Untersuchung der Struktur und Dynamikvon Nanosystemen und biologischen Systemen mit Hilfe vonAbbildungs- und Spektroskopiemethoden.Auf internationalen Workshops diskutieren künftige Nutzerinnenund Nutzer des European XFEL zurzeit die Anforderungenan die Messstationen und die Experimentiermöglichkeiten.Seit 2007 findet zudem einmal im Jahr ein Nutzertreffenstatt, in dessen Fokus der Status und die Entwicklung des European-XFEL-Projektsstehen und an dem 250 Wissenschaftleraus 20 Ländern teilnehmen.Abbildungen:Visualisierung derErzeugung eines Röntgenblitzesin einem der über100 Meter langen Undulatorendes European XFEL(DESY/European XFEL,hergestellt von Tricklabor/MarcHermann)Synchrotronstrahlung 2009 47

ESRFin Grenoble – das Flaggschiff der europäischen Forschung mit Synchrotronstrahlung1Belgien, Dänemark,Deutschland, Finnland,Frankreich, Großbritannien,Israel,Italien, Niederlande,Norwegen, Österreich,Polen, Portugal,Schweden, Schweiz,Slowakei, Spanien,Tschechische Republikund UngarnDie ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) ist einVorbild europäischer Zusammenarbeit, an der sich 20 Jahrenach der Gründung 19 Staaten 1 beteiligen. Deren Forschernsteht eine Röntgenstrahlungsquelle der Weltspitze zur Verfügung.Die Zahl der Publikationen in renommierten Zeitschriften,die auf Forschungen an der ESRF beruhen, steigt seit derGründung beständig und überschreitet heute 1.500 pro Jahr.56 % aller Veröffentlichungen europäischer Synchrotronstrahlungsquellenin Nature und Science hatten in den Jahren 2006und 2007 ihren Ursprung in der ESRF. Auch bei neu deponiertenMolekülstrukturen liegt der Anteil der ESRF über 50 % inEuropa und mehr als 20 % weltweit.Zu diesem Erfolg tragen hochqualifizierte Mitarbeiter undhochspezialisierte Experimentierstationen, eine fortdauerndeWeiterentwicklung der Stationen, höchste Zuverlässigkeit imBereich der Synchrotronstrahlungsquelle sowie Innovationenin der Instrumentierung und Datenanalyse bei. Zudem steht denNutzern eine weltweit einzigartige Infrastruktur komplementärerLabors und erweiterter Instrumentierung zur Verfügung.Auch die vorbildliche Unterstützung durch ansässige Wissenschaftler,die jedes Experiment ausnahmslos betreuen, sowieGästehaus und Restaurant vor Ort spielen für die Attraktivitätder ESRF eine wichtige Rolle.In 15 Jahren Nutzerbetrieb hat die ESRF so in vielen BereichenNutzergemeinden erweitert oder sogar erst neu erschlossen:Die Strukturbiologie, in der frühen Planung kaum erwähnt,ist ein Beispiel höchst effektiver Nutzung durch eine weltweite,sehr umfangreiche Nutzergemeinde. Dies wurde auch durchweitreichende Automatisierung ermöglicht, die mit dem BESSY-Innovationspreis 2008 ausgezeichnet wurde. Sieben Experimentierstationenflankiert vom Zentrum für strukturelleBiologie (PSB – Partnership for Structural Biology) sind ein Paradebeispielfür erfolgreiche industrienahe Forschung geworden– mit einer Nachfrage, die kaum befriedigt werden kann.Die Methoden der resonanten Kernstreuung und unelastischenRöntgentreuung waren bei der Gründung der ESRF geradeim Entstehen. Sie haben sich in der Folgezeit von einerVision zu höchst erfolgreichen und produktiven höchstauflösendenSpektroskopien im Bereich der Dynamik und der magnetischenund elektronischen Eigenschaften mit Anwendungenauf nanoskalierte und neue Materialien (z. B. elektronischeBauelemente, Speicher, Supraleiter) und in der Geophysik, mitspeziellem Augenmerk auf extreme Bedingungen (Hochdruck,hohe und tiefe Temperaturen, hohes Magnetfeld), entwickelt.Heute gibt es an allen großen Synchrotronstrahlungsquellensolche dedizierten Instrumente.Die hohe Qualität des Synchrotronstrahles und innovativeEntwicklungen spezieller Röntgenoptiken zur Mikro- bzw. Nanofokussierungsowie neuer (kohärenter) Bildverfahren befruchtenalte und neue Wissenschaftsgebiete und erschließenderen Nutzergemeinde. Als Beispiele sind zu nennen die Medizin,Paläontologie, Archäologie, Umweltwissenschaften undsogar die Weltraumforschung.Dank ihrer Stellung nimmt die ESRF heute eine wichtigeRolle in der Strukturierung einer Nutzergemeinde ein, die sowohlgeographisch als auch im Hinblick auf die Fachgebieteweit verstreut ist. Parallel dazu koordiniert die ESRF zunehmendländerübergreifende Projekte und den Transfer von Know-howzwischen Forschungseinrichtungen und Universitäten.Als Großgerät steht die ESRF jedem Wissenschaftler einesMitgliedslandes kostenfrei offen. 2.000 Vorschläge, die im Jahr2008 für Experimente eingereicht wurden, sind ein erneuter Rekord.Parallel konnte die Zahl der Strahlzeiten und Experimentein fünf Jahren um rund 20 % gesteigert werden, so dass heutemehr als 4.000 Wissenschaftler jährlich die ESRF nutzen. Dabeiwird die Speicherringanlage über 5.000 Stunden jährlich genutzt,mit Raten für die Zuverlässigkeit von 97 % bis 99 %.48 Synchrotronstrahlung 2009

Der ESRF-Haushalt von 84 Millionen Euro wurde in 2008zu 17 % mit Einnahmen aus industrieller Forschung, Kooperationenund EU-Projekten finanziert. Der deutsche Anteil an derGrundfinanzierung (70 Millionen Euro) beträgt 25,5 %. Von den600 Mitarbeitern aus mehr als 30 Ländern sind gut 8 %Deutsche, mit einem deutlich höheren Anteil unter den Wissenschaftlern(12 %) und Führungskräften (20 %). DeutscheWissenschaftler nutzten im Jahr 2007 22 % der Strahlzeit, wasauch die Ausbildung vieler Doktoranden und junger Wissenschaftlerbeförderte. Kooperationen mit DESY (Röntgenoptik,schnelle Detektoren) und ANKA (Röntgentomographie) sowiedie nationale Experimentierstation ROBL des FZ Dresden-Rossendorfsind ein weiterer Nutzen für die deutsche Forschung.Für die nächste Dekade hat die Leitung des Instituts einErweiterungsprogramm erarbeitet, das dem wachsendenTempo der Innovation Rechnung trägt. Es sieht die folgendenPunkte vor:• Neubau von acht Experimentierstationen nach neuestemwissenschaftlich-technischen Stand mit einem Schwerpunktauf den Nanowissenschaften,• Entwicklung von Schlüsseltechnologien im Bereich Detektorenund Datenverarbeitung, gemeinsam mit anderen Instituten,• Erweiterung der Experimentierhalle und Laborfläche um15.000 m 2 .Die erste Phase dieses Programms wird über sieben Jahre(2009-2015) durch einen Eigenbeitrag aus dem regulären ESRF-Haushalt von gemittelt 10 Millionen Euro jährlich finanziert, ergänztdurch einen Sonderbeitrag der 19 Teilnehmerstaaten undder Europäischen Kommission von 15 Millionen Euro. Der deutscheAnteil beläuft sich auf 3,5 Millionen Euro. Das ESRF-Erweiterungsprogramm ist grundsätzlich genehmigt und dasBudget der ersten Phase für 2009 vom Rat beschlossen.Die französischen Gebietskörperschaften der Region Grenoblehaben 2008 darüber hinausgehende Mittel für Infrastrukturmaßnahmenauf dem gemeinsamen Forschungsgeländevon ESRF und ILL (Institut Laue-Langevin) zugesagt.Dies ermöglicht innerhalb der nächsten fünf Jahre weitere Projekteumzusetzen, unter denen vor allem ein Gebäude für neuewissenschaftliche Partnerschaften, in erster Linie für weichekondensierte Materie, von großer Bedeutung ist.Synchrotronstrahlung 2009 49

Die Rossendorf-Beamlinean der ESRF in GrenobleDas Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) betreibtseit 1998 an der ESRF in Grenoble eine unabhängige Strahlführung,die Rossendorf-Beamline. Die Strahlführung hat einenMessplatz für radiochemische und einen für materialwissenschaftlicheExperimente. Zwei Drittel der Strahlzeit werdenfür FZD-eigene Experimente verwendet und ein Drittel steht fürExperimente zur Verfügung, die vom Wissenschaftsbeirat derESRF ausgewählt werden.Der radiochemische Messplatz ist für die Röntgenabsorptionsspektroskopievorwiegend hochverdünnter Systeme ausgerüstet.Mehrfach redundant ausgelegte Sicherheitssystemeerlauben die Messung von alpha-strahlenden Radionukliden(vorwiegend Aktiniden). Forschungsschwerpunkte sind die Identifizierungund Quantifizierung chemischer Radionuklidspeziesunter umweltrelevanten Bedingungen sowie die Bestimmungihrer Oxidationsstufe, Bindung und Nahordnung bis 10 ÅngströmReichweite. Eine Besonderheit ist die In-situ-Untersuchungvon Redoxzuständen und deren Kinetik mit Hilfeelektrochemischer Zellen oder eines Helium-Kryostaten. DieseGrundlagenforschung dient dazu, zuverlässige Risikoabschätzungenz. B. für den ehemaligen Uranerzbergbau der Wismutoder die zukünftige Lagerung radioaktiver Abfälle zu machen.Der materialwissenschaftliche Experimentierplatz miteinem 6-Kreis-Goniometer dient der Bestimmung und Charakterisierungvon dünnen Schichten und nano-kristallinen Materialienmittels Diffraktion und Reflektometrie. Eine Besonderheitist die Möglichkeit In-situ-Röntgenstreuuntersuchungenwährend der Herstellung durch Magnetron-Sputtern und/oderdurch Ionenbestrahlung durchzuführen, kombiniert mit derMessung anderer physikalischer Eigenschaften, z. B. der Leitfähigkeit.Hiermit lassen sich neue Werkstoffe entwickeln, wiesie in der Photovoltaik oder Computertechnik (magnetischeSpeichermedien, Mikroprozessoren) benötigt werden.Beide Experimentierplätze stellen jährlich ca. 600 (achtstündige)Messzeitschichten zur Verfügung, die von etwa 25Wissenschaftlerteams inklusive der zahlreichen Kollaborationspartnerndes FZD genutzt werden. Der wissenschaftlicheErfolg der Strahllinie lässt sich an den etwa 30-40 Veröffentlichungenpro Jahr messen.50Synchrotronstrahlung 2009

DELTAan der Technischen Universität DortmundDie Dortmunder Elektronenspeicherringanlage DELTA istmit 115,2 Metern Umfang eine relativ kleine Synchrotronstrahlungsquelle.Mit einem supraleitenden asymmetrischen Wiggler,an dem drei Strahlführungen zur Nutzung von harterRöntgenstrahlung betrieben werden, und zwei Undulatoren mitentsprechenden Strahlführungen für den weichen Röntgenbereichsowie zwei Strahlführungen an Ablenkmagneten stehennur eine vergleichsweise geringe Zahl von Messplätzen zur Verfügung.DELTA wird vollständig vom Land Nordrhein-Westfalenfinanziert und von der Technischen Universität Dortmund betriebenund ist somit eine lokale Quelle, deren Nutzerschaft sichvornehmlich aus Nordrhein-Westfalen rekrutiert.Da es relativ viele Universitäten in der unmittelbaren Nähevon DELTA gibt, ist die verfügbare Strahlzeit von etwa 2.000Stunden im Jahr inzwischen deutlich überzeichnet, so dass auchder lokale Bedarf von dieser Quelle nicht mehr gedeckt werdenkann.DELTA hat als universitäre Einrichtung ein klares Profil imBereich der Ausbildung. Dies betrifft sowohl die Ausbildung vonNutzern an den Strahlführungen als auch die Ausbildung imBereich der Beschleunigerphysik, die an 1.000 Stunden im Jahrstattfindet. Durch die kürzlich genehmigte und mit 500.000Euro pro Jahr geförderte Forschungsschule „Forschung mit Synchrotronstrahlung“wird dieser Aspekt deutlich betont.Synchrotronstrahlung 200951

Ausführliche Empfehlungen1. Weiterentwicklungder RingquellenAusbau der Kapazität von PETRA IIIDas Strahlungslabor PETRA III wird als dedizierte Synchrotronstrahlungsquelleder dritten Generation im Jahr2009 seine Arbeit aufnehmen. Seine einzigartige Brillanzwird Experimente an der vordersten Front der jeweiligenWissenschaftsdisziplinen ermöglichen und zu herausragendenErgebnissen führen. Nach Schließung von DORIS III imJahr 2012/13 kann jedoch nicht mehr der gesamte Messzeitbedarfdurch PETRA III allein abgedeckt werden. InsbesondereMessungen, die nicht notwendigerweise eine hoheBrillanz, aber eine hohe Strahlungsintensität erfordern, könnendurch die derzeitige Auslegung der Strahlführungen beiPETRA III nicht ausreichend befriedigt werden. Das KFSunterstützt deshalb Bemühungen um eine Erweiterung derKapazität bei PETRA III. Der Ausbau eines der Dämpfungswigglervon PETRA III zum Strahlungslabor könnte mittelfristigdie Fortführung der am meisten nachgefragtenExperimente aus der Materialforschung, der Chemie und derLebenswissenschaften sichern.Verbesserung der Quelle und der Experimentiereinrichtungenbei BESSY IIBESSY II ist die führende europäische Quelle vom Infrarot-(THz) bis zum weichen Röntgenbereich und bedient nahezudie gesamte deutsche und europäische Nutzerschaft in diesemSpektralbereich. Viele dort durchgeführte Experimentesind wissenschaftliche Highlights. Das kontinuierliche ErneuerungsprogrammCUP (früheres 2007+) sieht wesentlicheVerbesserungen im Maschinen- und Strahlrohrbereichvor und ist nach Auffassung des KFS dringend nötig. Die Fusionvon BESSY und HMI zum Helmholtz-Zentrum Berlin(HZB) wird begrüßt, da es die Nutzerbetreuung an BESSY IIsignifikant verbessern und weitere Mittel für den Ausbauder Infrastruktur ermöglichen sollte. Der bei BESSY II bestehendeEngpass in der Bereitstellung von extrem weicherSynchrotronstrahlung wurde durch den Aufbau des PTB-Speicherrings MLS partiell kompensiert. Das KFS unterstütztAktivitäten, Nutzern den Zugang zu dieser Quelle zu ermöglichen.Implementierung eines Full-Energy-Injektorsund Ausbau der Instrumentierung für ANKAANKA ist eine relativ neue Synchrotronstrahlungsquelle(Eröffnung 2003). Sie profitiert zum einen von ihrer starkenEinbettung in die Forschungslandschaft des KarlsruherInstituts für Technologie und der sie umgebenden Universitätenund Forschungseinrichtungen und zum anderen vomVorhandensein sehr spezifischer Probenumgebungen(z. B. Aktinidenlabor, LIGA-Labor und LIGA-Fertigung). DieErrichtung einer gemeinsamen Nutzerplattform bei ANKAim Rahmen der Karlsruher Nano Micro Facility, KNMF,mit Fokussierung auf den Forschungsbereich Schlüsseltechnologiensetzt bereits die Empfehlung des KFS zu einersichtbaren Konzentration der Quellenaktivitäten auf wissenschaftlicheSchwerpunkte um.Das KFS empfiehlt nachdrücklich, dass ANKA seine Kernkompetenzenwie z. B. Aktinidenforschung, IR- und THz-Spektroskopie, LIGA-Technologie und Technolgie im Bereichsupraleitender Undulatoren stärkt, seine Instrumentierungvor allem im Bereich neuer Röntgen- und IR/THz-Strahlrohreund Experimente in enger Abstimmung mit dem HZBund DESY weiterentwickelt, seine Nutzerbetreuung ausbautund seine Infrastruktur verbessert. Eine speziell dafürnotwendige Maßnahme stellt die schnellstmögliche Installationeines leistungsfähigen Full-Energy-Injektors dar –z. B. als Teil des Zukunftsprojekts TBONE. Eine große Chancesieht das KFS weiterhin in der Möglichkeit, nach 2012 Nutzerexperimentevon DORIS III zu übernehmen, die in dasKonzept von Karlsruhe passen und das Profil von ANKAsichtbar stärken.52 Synchrotronstrahlung 2009

Unterstützung des Erweiterungsprogramms der ESRFDie ESRF ist die weltweit führende Quelle der drittenGeneration für harte Röntgenstrahlung. Deutschland ist anihrer Finanzierung mit 25,5 % beteiligt. Im Vergleich zu denanderen Quellen weist die ESRF die größte Effektivität auf,die sie ihrem hohen Standard in der Nutzerbetreuung (vierWissenschaftler und ein Techniker pro Beamline, Vollfinanzierunggenehmigter Projekte) und der vorhandenen exzellentenhauseigenen Forschung seiner Mitarbeiter verdankt.Die ESRF ist damit weltweit zum Maßstab einer effektiv arbeitendenSynchrotronstrahlungsquelle geworden, an dersich auch die deutschen Quellen messen müssen. Nach mehrals 15 Jahren erfolgreicher Arbeit hat die ESRF ein weitreichendesErweiterungsprogramm begonnen, um ihre führendeRolle zu erhalten und auf ausgewählten Gebietenauszubauen.Das Programm sieht insbesondere die räumliche Verlängerungausgewählter Strahlführungen auf ca. 200 m sowiedie stärkere Schärfung des Profils auf Experimente derNanospektroskopie, Nanobeugung und Nanoabbildung vor.Das KFS empfiehlt die uneingeschränkte Fortsetzung desdeutschen Engagements an der ESRF und eine aktive Unterstützungdes Erweiterungsprogramms. Das KFS ist festdavon überzeugt, dass beim parallelen Betrieb von PETRA IIIund der ESRF die Synergieeffekte überwiegen und langfristigkeine Verringerung des Messzeitbedarfs deutscher Nutzeran der ESRF zu erwarten ist.Das KFS würdigt das Engagement des ForschungszentrumsDresden-Rossendorf zum Betrieb des Collaborative-Research-Group-MessplatzesROBL, der Experimentiermöglichkeitenfür die Spektroskopie von radioaktivenIsotopen und für die Materialforschung bereitstellt.Das KFS macht auf den Umstand aufmerksam, dass durchdas altersbedingte Ausscheiden mehrerer Mitglieder desdeutschen Stammpersonals erhöhte Anstrengungen notwendigsind, hochqualifizierte Wissenschaftler an die ESRFzu bringen.DELTADie Dortmunder Elektronenspeicherringanlage DELTA isteine regionale Synchrotronstrahlungsquelle und wird vollständigvom Land Nordrhein-Westfalen finanziert. DELTAhat als Einrichtung der TU Dortmund ein klares Profil imBereich der Ausbildung, welches durch die kürzlich vomLand Nordrhein-Westfalen eingerichtete Graduiertenschule„Forschung mit Synchrotronstrahlung“ dokumentiert wurde.Dortmund könnte damit langfristig einen Beitragzur Abdeckung des großen Bedarfs an Spezialisten für Synchrotronstrahlungleisten.Synchrotronstrahlung 2009 53

2. Weiterentwicklungvon Freie-Elektronen-LasernAufbau von FLASH IIVollausbau des European XFELFLASH ist zurzeit der weltweit einzige betriebsfähige FEL,der Röntgenpulse im weichen Röntgenbereich mit Pulsenergienvon bis zu 120 µJ und Pulslängen unter 30 fs liefert.FLASH wurde mit der für den European XFELentwickelten supraleitenden Beschleunigertechnologie aufgebautund erreicht in der derzeitigen Ausbaustufe einePhotonenenergie von mehr als 200 eV (Wellenlänge =6 nm) in der ersten Harmonischen. Alle bisherigen weltweitenSpitzenexperimente in diesem Spektralbereich wurdenbei FLASH realisiert. Damit ist Deutschland führend auf demGebiet von Experimenten mit FEL-Strahlung. Bei FLASHergibt sich durch die sehr starke Nachfrage nach Strahlzeitein dringender Bedarf für einen weiteren Ausbau, um mehrerenGruppen gleichzeitig Experimentiermöglichkeitenbereitstellen zu können.Das KFS unterstützt daher nachdrücklich das von DESYund dem HZB gemeinsam eingebrachte Projekt FLASH II,welches zum einen die Nutzerkapazität verdoppeln wirdund zum anderen die führende Stellung Deutschlands in derEntwicklung innovativer Konzepte für Experimente anFreie-Elektronen-Lasern sichern hilft. Zu diesen zukunftsorientiertenKonzepten gehört vor allem die Realisierungvon reproduzierbaren Pulsstrukturen, die entscheidend fürzeitauflösende Experimente sind. Diese Möglichkeit wirddurch innovative Seeding-Konzepte geschaffen wie z.B. imRahmen des S-FLASH Projekts zum HHG-Seeding bei FLASH,das von der BMBF-Verbundforschung gefördert wird. BeiFLASH II wird neben dem HHG-Seeding (High Harmonic Generation)auch das vom HZB vorgeschlagene Konzept desHGHG-Seeding (High Gain Harmonic Generation) realisiertwerden. Weitere zukunftsweisende Konzepte, die das Potenzialder FEL-Quellen erheblich erweitern, liegen in derNutzung helikaler und durchstimmbarer Undulatoren für dieErzeugung von FEL-Pulsen und in Experimenten mit kohärenten,vollständig synchronisierten Terahertz-Pulsen undFEL-Pulsen.Der European XFEL wird die europäische Quelle für FEL-Strahlung im Röntgenbereich werden. Deutschland fällt beidiesem internationalen Großprojekt von 13 europäischenLändern sowie China als Sitzland eine besondere Rolle zu.Nach Unterzeichnung der internationalen Verträge im Jahr2009 und einer 5-jährigen Bauphase ist seine Inbetriebnahmefür das Jahr 2014 geplant. Das Konzept des supraleitendenBeschleunigers sowie die Wahl und Anordnungder FEL-Quellen, Strahlführungen und Röntgeninstrumenteermöglichen eine große Flexibilität und Vielseitigkeitbei der Realisierung des Projekts. Dies ist von besonderemVorteil, da der European XFEL erst einige Jahre nach der Inbetriebnahmeder Röntgen-Freie-Elektronen-Laser in denUSA und Japan (2009 bzw. 2011) seinen Betrieb aufnehmenwird. Einige der fundamentalen, in den vergangenen Jahrendiskutierten Experimente werden dann bereits durchgeführtworden sein. Das KFS empfiehlt daher nachdrücklichdie Erfahrungen dieser ersten Generation von Röntgen-Freie-Elektronen-Laser-Quellen bei der Realisierung desEuropean XFEL und seiner wissenschaftlichen Experimentierstationenzu berücksichtigen und weiterführende wissenschaftlicheFragestellungen sowie neue technischeLösungen (z. B. Seeding-Konzepte für weiche Röntgenstrahlungoder Konzepte für Pulsdauern von wenigen Femtosekunden)beim Aufbau der Experimente des EuropeanXFEL einzubeziehen. Aus Sicht des KFS ist dazu der Vollausbaudes European XFEL entsprechend der ursprünglichenPlanung zwingend notwendig. Die deutsche Nutzergemeinschaftmuss ihre durch die Arbeit an FLASH gewonneneSpitzenposition im Bereich der Forschung mit FEL-Strahlungin den Aufbau des European XFEL einbringen.54 Synchrotronstrahlung 2009

3. Entwicklung von Strahlungsquellender Zukunft(Energy-Recovery-Linac)Mit der Gründung von CFEL wurde hierfür bereits eine leistungsstarkeInstitution geschaffen. Die starke Beteiligungdeutscher Gruppen an Instrumenten der Linear CoherentLight Source (LCLS) in Stanford ist dafür bereits sichtbarerAusdruck. Das KFS empfiehlt eine breite Einbeziehung vonUniversitäten in diesen Prozess, da diese von strategischerBedeutung für den Aufbau einer breiten deutschen Nutzergemeinschaftfür den European XFEL ist.Die Erfahrungen an FLASH zeigen, dass neben Gruppenaus dem Bereich Forschung mit Synchrotronstrahlung zunehmendauch solche aus dem Forschungsbereichen OptischeProzesse sowie Laserentwicklung ein Interesse anFEL-Experimenten gewinnen. Das KFS sieht in derZusammenführung von etablierten experimentellen Konzeptenaus der Synchrotronstrahlungsforschung und derLaserphysik sowie in der Symbiose beider Wissenschaftsfeldereine große Chance für die Entwicklung neuer Konzeptefür Experimente mit Röntgen-Freie-Elektronen-Laser-Strahlung. Diese Entwicklung sollte auch dazu beitragen, diedringend benötigte theoretische Modellierung aktueller undzukünftiger Experimente an Röntgen-Freie-Elektronen-Laservoranzutreiben.Bau des Prototyps eines Energy-Recovery-Linacs„BERLinPro“Ein Energy-Recovery-Linac (ERL) vereint die Vorteile einesLinearbeschleunigers – wie hohe Brillanz, kurze Pulse, geringeEnergiebreite und Kohärenz – mit denen eines Speicherrings.Er hat gegenüber einem Freie-Elektronen-Laserden Vorteil, dass zahlreiche Nutzer gleichzeitig mit derStrahlung experimentieren können. Gegenüber traditionellenSpeicherringquellen lassen sich an einem ERL nutzerspezifischeAnforderungen – wie z. B. Pulslänge, Brillanz,Zeitstruktur und Kohärenz – auf einfache Weise einstellen.Dies kommt z. B. den Anforderungen für zeitaufgelöste Anregungsexperimente(pump-probe), Arbeiten mit kohärenterKurzpulsstrahlung bis in den Röntgenbereich sowie derRöntgenmikroskopie sehr entgegen.Für die Eigenschaften der ERL-Strahlung ist entscheidend,dass die in modernen Injektoren erzeugten hervorragendenEigenschaften des Elektronenstrahls während des einenDurchlaufs im ERL erhalten bleiben. Zudem kann ein hoherAnteil der Energie der nicht mehr benötigten Elektronenwiederverwendet werden, um die Anlage energieeffizient zubetreiben.Die grundsätzliche Realisierbarkeit des ERL-Konzepteskonnte bereits am Jefferson Laboratory (USA) im IR-Bereichund am Budker Institut (Russland) im THz-Bereich demonstriertwerden. Zurzeit wird am Layout von Röntgen-ERL-Quellen an der Cornell University (USA) und am KEK (Japan)gearbeitet. Es sind jedoch weitere Entwicklungsarbeiten biszur Realisierung einer Hochbrillanz-Mehrnutzereinrichtungfür breitbandige Strahlung notwendig.Das KFS sieht in der Entwicklung eines ERL eine wichtigeund zukunftsweisende Erweiterung des Ringbeschleuniger-Konzepts, um ultimative und flexible Strahleigenschaften andiesen modernen Ringquellen zu realisieren. Es unterstütztdaher nachdrücklich die Aktivitäten des HZB mit Unterstützungvon ANKA und DESY, eine Machbarkeitsstudie für eindeutsches ERL-Konzept auszuarbeiten, die eine Perspektivefür eine ERL-Nutzereinrichtung bietet. Die Entscheidung, inBerlin den ERL-Prototyp „BERLinPro“ zu realisieren, wirddaher mit besonderem Nachdruck begrüßt.Synchrotronstrahlung 2009 55

4. NotwendigeInfrastrukturmaßnahmen5. Neuentwicklung optischerElemente und Detektoren fürhöhere Zeit- und OrtsauflösungSchaffung von optimierten Probenumgebungen undintegrierten Präparations- und CharakterisierungseinrichtungenAus den bisherigen Befragungen von Nutzern geht hervor,dass der Weiterentwicklung von Probenumgebungen, derEntwicklung neuer Detektoren und dem Ausbau der technischenInfrastruktur viel größere Bedeutung beigemessenwerden muss. Diese Infrastruktur umfasst nicht nur dieStrahlführungen selbst und wesentliche Probenumgebungen(wie besonders starke Magnete, mechanische Prüfeinrichtungen,ultrahohes Vakuum), sondern auch diversePlattformen für die Probenvorbereitung sowie begleitendeMessungen mit anderen, komplementären Techniken (wieElektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Life-Imaging-Methoden).Auch wird der In-situ-Kombination vonMessverfahren (wie optische Mikroskopie und Spektroskopiedirekt am Synchrotronstrahl) eine steigende Bedeutungzukommen. Für biologischen Anwendungen sindEinrichtungen für zeitnahe und ortsnahe Probenvorbereitungund -charakterisierung essentiell, um Synchrotronstrahlungseinrichtungenoptimal für ambitionierte Projektenutzen zu können. Die vorgeschlagenen Forschungsplattformensollten thematisch weit gefasst sein und könnenmehrere Strahlführungen sowie Labore für die Probenvorbereitungund für komplementäre Messeinrichtungen umfassen.Solche Konzepte existieren bereits an der ESRF(Partnership for Structural Biology, PSB; Partnership forSoft Condensed Matter, PSCM) und bei DESY (EMBL).Die Strahlparameter moderner Synchrotronstrahlungsquellenwerden fortlaufend verbessert. Damit wird eineimmer größere Zahl von Photonen mit immer besserenEigenschaften in Richtung auf das Experiment emittiert.Um chemische oder physikalische Vorgänge in Echtzeitsowie Materialien oder biologischen Strukturen auf derNanometer-Längenskala zu beobachten, ist es notwendig,diese Photonen auf kleinstem Raum zu fokussieren undDetektoren zu entwickeln, die die gestreuten Photonen mithöchster Effizienz nachweisen können. Dabei kommt eszunehmend darauf an, spezifische Strahlführungen undspezielle Detektoren für die jeweiligen Anwendungen zuentwickeln oder zu optimieren.Das KFS empfiehlt daher dringend, den Anteil der Mittel,der für die Entwicklung optischer Elemente und für neueDetektoren bereitgestellt wird, entscheidend zu erhöhen.Derartige Entwicklungen erstrecken sich typischerweise übermehrere Jahre und sind sehr kostenintensiv. Dem eingeschlossensind Entwicklungen zur Schaffung nutzerfreundlicherund standardisierter Systeme zur Datenaufnahme,Datenreduktion und Datenauswertung. Das KFS begrüßtAbsprachen zwischen den europäischen Quellen zu abgestimmtenEntwicklungsprogrammen und empfiehlt diestärkere Einbeziehung der Nutzer durch Schaffung geeigneterthematischer Plattformen.Das KFS ist davon überzeugt, dass mit diesem Konzeptsolche Wissenschaftsbereiche – wie etwa die Nanowissenschaften,Lebenswissenschaften und Materialwissenschaften– durch die Bündelung von Kräften und Experimentiereinrichtungennoch wesentlich stärker als bisher vonden Möglichkeiten der Synchrotronstrahlung profitierenwerden. Das KFS empfiehlt deshalb eine deutliche Stärkungdieser assoziierten Infrastrukturen mit thematischen Forschungsplattformenim Rahmen der Verbundforschung(siehe auch Empfehlung 6).56 Synchrotronstrahlung 2009

6. Rolle der Verbundforschung –Übergang zu einer forschungsorientiertenFörderung7. Nutzerbetreuungauf dem Niveau der ESRFSchaffung von thematischen Forschungsplattformenan den Zentren unter aktiver Mitwirkung der Nutzer,ggf. auch an anderen Quellen im AuslandDie Verbundforschung des BMBF spielt seit vielen Jahreneine wesentliche Rolle bei der Entwicklung der Infrastrukturdeutscher Synchrotronstrahlungsquellen. Für viele Universitätsgruppenbietet die Verbundforschung den einzigenWeg, neue Experimente an den Quellen aufzubauen unddurchzuführen. Das KFS hat mit großer Freude zur Kenntnisgenommen, dass nach Jahren des stetigen Abbaus die bereitgestellteFördersumme im Bewilligungszeitraum 2007 -2010 entscheidend erhöht wurde. Ein großer Teil dieser Mittelwurde auf Experimente und Entwicklungen bei FLASHund PETRA III konzentriert. Ein weiterer Anteil kommt derEntwicklung neuer optischer Elemente und neuer Detektorenzugute. Dieser Trend sollte unbedingt anhalten, um dieInstrumentierung an PETRA III, European XFEL und FLASH,die Erneuerungs- und Erweiterungsprogramme an den bestehendenQuellen sowie den Ausbau von thematischenForschungsplattformen nachhaltig zu unterstützen. DasKFS empfiehlt darüber hinaus, die Verbundforschung nichtauf die Entwicklung und den Aufbau neuer Instrumente undMethoden zu beschränken, sondern insbesondere auch fürwissenschaftliche Projekte an den vorgeschlagenen assoziierten,thematischen Forschungsplattformen einzusetzen,an denen die Quellen, universitäre und außeruniversitäreForschungsgruppen gleichberechtigt mitwirken könnten(siehe auch Empfehlung 4). Dies gilt in besonderem Maßeauch für Forschungsinitiativen, die auf der Komplementaritätvon Methoden an Synchrotronquellen und an Neutronenquellenaufbauen und die jeweiligen spezifischenVorteile nutzen.Implementierung der ESRF-Standardsan allen deutschen QuellenDie Effektivität eines Nutzerexperiments hängt wesentlichvon der Qualität der Betreuung und von der fachlichenKompetenz des Messplatzbetreuers ab. Die ESRF als führendesZentrum der Forschung mit Synchrotronstrahlung hatbewiesen, dass eine hohe personelle Ausstattung der Messplätze(vier Wissenschaftler und ein Techniker pro Beamline)und die stetige Betreuung der Nutzer vor Ort sowie einequalitativ hochwertige hauseigene Forschung den Erfolg derNutzerexperimente wesentlich befördern. An diesem Standardmüssen sich auch die deutschen Zentren messen. Diepersonelle Ausstattung der Messplätze bei PETRA III wirddiesem Standard schon sehr nahe kommen. Das neugegründete Helmholtz-Zentrum Berlin wird die Nutzerbetreuungbei BESSY II signifikant verbessern und mit derhauseigenen Forschung kombinieren. ANKA muss seine Nutzerbetreuungebenfalls diesem Standard annähern. Das KFSist überzeugt, dass verbesserte Nutzerunterstützungenebenso die Attraktivität der Zentren für neue Nutzergruppenerhöht. Erfahrungen anderer Labors zeigen, dass insbesondereWissenschaftler aus den Lebens- und Ingenieurwissenschaften,die keine Erfahrungen im Umgang mit Synchrotronstrahlunghaben, Synchrotronstrahlungsquellennutzen, wenn sie standardisierte und gegebenenfalls sogarzertifizierte Experimentierstationen und einen komplettenService erwarten können.Erhöhte Betriebskosten dürfen dabei nicht zu einer Verringerungder verfügbaren Strahlzeit führen. Dies ist insbesonderevor dem Hintergrund steigender Energiepreise zusehen.Das KFS befürwortet ausdrücklich die Unterstützung derkoordinierten Zusammenarbeit mit wissenschaftlichen Institutendes Auslandes, die zur Stärkung der Infrastruktursowie der Bearbeitung wissenschaftlicher Fragestellungenan Synchrotronstrahlungsquellen dienen.Synchrotronstrahlung 2009 57

AutorenverzeichnisDie Broschüre wurde erarbeitet und herausgegeben vom8. Komitee Forschung mit Synchrotronstrahlung(2008-2011)Vorsitzender: Prof. Dr. Ullrich Pietsch (Universität Siegen),stellv. Vorsitzender: Prof. Dr. Wilfried Wurth (Universität Hamburg)Redaktionelle Mitarbeit: Dirk Rathje (Hamburg)Layout und Produktion: Wolfgang Semma (Siegen)unter Mitarbeit von:Prof. Dr. Tilo Baumbach (FZ Karlsruhe);Prof. Dr. Uwe Becker (FHI Berlin);Dr. Walter Braun (Helmholtz-Zentrum Berlin);Prof. Dr. Leonid Dubrovinsky (Bayerisches Geoinstitut, Universität Bayreuth);Dr. Hermann Dürr (Helmholtz-Zentrum Berlin);Prof. Dr. Dr. h.c. Wolfgang Eberhardt (Helmholtz-Zentrum Berlin);Prof. Dr. Stefan Eisebitt (TU Berlin);Dr. Josef Feldhaus (DESY, Hamburg);Prof. Dr. Rainer Fink (Universität Erlangen-Nürnberg);Prof. Dr. Peter Fratzl (MPI KGF, Potsdam);Thomas Frederking (Helmholtz-Zentrum Berlin);Dr. Claus Habfast (ESRF, Grenoble);Dr. Catherine McCammon (Bayerisches Geoinstitut, Universität Bayreuth);Prof. Dr. Metin Tolan (TU Dortmund);Prof. Dr. Dieter Manstein (Medizinische Hochschule Hannover);Dr. Alexej Nefedov (RU Bochum);Prof. Dr. Ernst Pernicka (Universität Tübingen);Prof. Dr. Ullrich Pietsch (Universität Siegen);Prof. Dr. Anke Pyzalla (Helmholtz-Zentrum Berlin);Dr. Gerd Reichardt (Helmholtz-Zentrum Berlin);Dr. Harald Reichert (ESRF, Grenoble);Dr. Rudolf Rüffer (ESRF, Grenoble);Prof. Dr. Eckart Rühl (FU Berlin);Dr. Markus Sauerborn (Helmholtz-Zentrum Berlin);Dr. Andreas Scheinost (FZ Rossendorf);Prof. Dr. Andreas Schreyer (GKSS, Geesthacht);Prof. Dr. Christian Schroer (Universität Dresden);Dr. Ulrich Schwarz (MPI CPfS, Dresden);Dr. Detre Teschner (Fritz-Haber Institut Berlin);Dr. Thomas Tschentscher (DESY, Hamburg);Prof. Dr. Joachim Ulrich (MPIK, Heidelberg);Prof. Dr. Eberhard Umbach (FZ-Karlsruhe);Prof. Dr. Edgar Weckert (DESY, Hamburg);Prof. Dr. Matthias Wilmanns (EMBL Hamburg);Prof. Dr. Andreas Wolf (MPIK, Heidelberg);Prof. Dr. Christof Wöll (RU Bochum);Prof. Dr. Wilfried Wurth (Universität Hamburg);Prof. Dr. Dr. h.c. Hartmut Zabel (RU Bochum);Bildnachweis:Wir danken ESRF, DESY, HZB, MPG, FZK, European XFEL undTU Dortmund für die zur Verfügung gestellten Bilder.Unser besonderer Dank gilt der Firma Ed. Züblin AG, denFotografen Ralf Röhlsberger und Edgar Weckert für die Bilderauf den Seiten 40 und 41.58 Synchrotronstrahlung 2009

SYNCHROTRONSTRAHLUNG